RU2469950C1 - Method of manufacturing products from carbon-silicon carbide material - Google Patents
Method of manufacturing products from carbon-silicon carbide material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2469950C1 RU2469950C1 RU2011131493/05A RU2011131493A RU2469950C1 RU 2469950 C1 RU2469950 C1 RU 2469950C1 RU 2011131493/05 A RU2011131493/05 A RU 2011131493/05A RU 2011131493 A RU2011131493 A RU 2011131493A RU 2469950 C1 RU2469950 C1 RU 2469950C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- pressure
- workpiece
- carbon
- heating
- Prior art date
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред, в частности форсунок, тиглей, деталей тепловых узлов, высокотемпературных турбин и летательных аппаратов, испытывающих значительные механические нагрузки при эксплуатации.The invention relates to the field of structural materials operating in conditions of high thermal loading and an oxidizing environment, and can be used in the chemical, petrochemical and chemical-metallurgical industries, as well as in aircraft technology to create products and structural elements exposed to aggressive environments, in particular nozzles, crucibles, parts of thermal units, high-temperature turbines and aircraft experiencing significant mechanical stress during operation.
Известен способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала (УККМ), включающий изготовление заготовки из углеграфитового материала, формирование на ней шликерного покрытия на основе композиции из порошка Si и временного связующего, нагрев ее до температуры 1700-1900°С, выдержку в указанном интервале температур в течение 1-3 часов [а.с. СССР №1303551, кл. С01В 31/02, 1985 г.].A known method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material (UKKM), including the manufacture of a workpiece from carbon-graphite material, forming a slip coating on it based on a composition of Si powder and a temporary binder, heating it to a temperature of 1700-1900 ° C, holding in the specified temperature range within 1-3 hours [a.s. USSR No. 1303551, class СВВ 31/02, 1985].
Недостатком способа является сложность технологии изготовления изделий из УККМ из-за необходимости греть их с 1300°С до 1650°С со скоростью не менее 600 град/час для быстрого перевода Si в низковязкое состояние. В противном случае (при низкой скорости нагрева) происходит поверхностное силицирование углеграфитового материала. Это связано с тем, что затекающий в поверхностные поры углеграфитового материала вязкий расплав Si науглероживается и теряет способность течь при последующем нагреве). Еще одним существенным недостатком способа является то, что получаемый УККМ имеет сравнительно высокую открытую пористость. Это объясняется тем, что первоначально (при пропитке жидким кремнием) заполнивший весь объем поры кремний расходуется в ходе химической реакции карбидизации с образованием SiC, объем молекулы которой меньше суммы объемов исходных углерода и кремния.The disadvantage of this method is the complexity of the technology for manufacturing products from UKKM due to the need to heat them from 1300 ° C to 1650 ° C at a speed of at least 600 deg / h for quickly transferring Si to a low-viscosity state. Otherwise (at a low heating rate), surface silicification of carbon-graphite material occurs. This is due to the fact that the viscous Si melt flowing into the surface pores of the carbon-graphite material is carbonized and loses its ability to flow upon subsequent heating). Another significant disadvantage of this method is that the obtained UKKM has a relatively high open porosity. This is explained by the fact that initially (when impregnated with liquid silicon) the silicon that filled the entire pore volume is consumed during the chemical carbidization reaction with the formation of SiC, the molecular volume of which is less than the sum of the volumes of the initial carbon and silicon.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из УККМ, включающий изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала, нагрев ее в замкнутом объеме реактора в инертной атмосфере или вакууме в парах Si до 1700-1900°С с последующей выдержкой в указанном интервале температур в течение 1-3 часов и охлаждение [патент RU №1834839, кл. С01В 31/02, 1993 г.]. Данный способ принят за прототип.The closest to the proposed technical essence and the achieved effect is a method of manufacturing products from UKKM, including the manufacture of a workpiece from porous carbon-graphite material, heating it in a closed reactor in an inert atmosphere or vacuum in Si vapor to 1700-1900 ° C, followed by exposure to the specified the temperature range for 1-3 hours and cooling [patent RU No. 1834839, class. СВВ 31/02, 1993]. This method is adopted as a prototype.
Способ позволяет упростить технологию изготовления изделий, в том числе крупногабаритных, за счет того, что нет необходимости производить нагрев с 1300°С до 1650°С с высокой скоростью (можно греть со скоростью 100-350 град/час). Кроме того, способ позволяет получить УККМ с существенно меньшей открытой пористостью, чем способ-аналог.The method allows to simplify the manufacturing technology of products, including large ones, due to the fact that there is no need to heat from 1300 ° C to 1650 ° C at a high speed (you can heat at a speed of 100-350 deg / h). In addition, the method allows to obtain UKKM with significantly less open porosity than the analogue method.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала; нагрев заготовки в замкнутом объеме в инертной атмосфере или вакууме в парах Si до 1700-1900°С; выдержка в указанном интервале температур в течение 1-3 часов; охлаждение.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the proposed method, the manufacture of a workpiece from porous carbon-graphite material; heating the workpiece in a closed volume in an inert atmosphere or vacuum in Si vapor to 1700-1900 ° C; exposure in the indicated temperature range for 1-3 hours; cooling.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является плохая воспроизводимость результатов от процесса к процессу, в том числе по компонентному составу УККМ; в особенности - крупногабаритных изделий. Это - экспериментально установленный факт. Связано это, видимо, с низкой скоростью массопереноса паров кремния к поверхности силицируемой детали, а также с отрицательным влиянием газодинамических потоков.The disadvantage of this method, adopted as a prototype, is the poor reproducibility of the results from process to process, including the composition of the CCM; in particular - bulky products. This is an experimentally established fact. This is apparently due to the low mass transfer rate of silicon vapors to the surface of the siliconized part, as well as to the negative influence of gas-dynamic flows.
Задачей изобретения является повышение воспроизводимости результатов от режима к режиму, в том числе при изготовлении крупногабаритных изделий.The objective of the invention is to increase the reproducibility of the results from mode to mode, including in the manufacture of bulky products.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления изделий из УККМ, включающем изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала, нагрев ее в замкнутом объеме реактора в инертной атмосфере или вакууме в парах кремния до 1700-1900°С с последующей выдержкой в указанном интервале температур в течение 1-3 часов и охлаждение, на заготовке формируют шликерное покрытие на основе композиции из порошка Si и временного связующего, нагрев заготовки до 1500°С ведут при атмосферном давлении в азоте и с 1500 до 1700-1750°С - при атмосферном давлении в аргоне, нагрев с 1750 до 1900°С ведут при давлении 1-860 мм рт.ст. с последующей выдержкой в указанных интервалах температур и давлений, а охлаждение проводят при давлении 1-350 мм рт.ст.The problem was solved due to the fact that in the known method of manufacturing products from UKKM, including the manufacture of a workpiece from porous carbon-graphite material, heating it in a closed reactor in an inert atmosphere or vacuum in silicon vapor to 1700-1900 ° C, followed by exposure to the specified temperature range for 1-3 hours and cooling, a slip coating is formed on the workpiece based on a composition of Si powder and a temporary binder, the workpiece is heated to 1500 ° C at atmospheric pressure in nitrogen and from 1500 to 1700-1750 ° - at atmospheric pressure in argon, heating from 1750 to 1900 ° C is carried out at a pressure of 1-860 mmHg followed by exposure in the indicated temperature and pressure ranges, and cooling is carried out at a pressure of 1-350 mm Hg.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - формирование на заготовке шликерного покрытия на основе композиции из порошка кремния и временного связующего; нагрев заготовки до 1500°С ведут при атмосферном давлении в азоте и с 1500°С до 1700-1750°С - при атмосферном давлении в аргоне; нагрев заготовки с 1750 до 1900°С с выдержкой в указанном интервале температур ведут при давлении 1-860 мм рт.ст.; охлаждение проводят при давлении 1-350 мм рт.ст.Signs of the proposed technical solution, distinctive from the prototype, - the formation on the workpiece slip coating based on a composition of silicon powder and a temporary binder; billet heating to 1500 ° C is carried out at atmospheric pressure in nitrogen and from 1500 ° C to 1700-1750 ° C at atmospheric pressure in argon; heating the workpiece from 1750 to 1900 ° C with exposure in the indicated temperature range is carried out at a pressure of 1-860 mm Hg; cooling is carried out at a pressure of 1-350 mm RT.article
Формирование на заготовке из углеграфитового материала шликерного покрытия на основе композиции из порошка кремния и временного связующего обеспечивает непосредственную доставку кремния к ее поверхности, а значит, создает предпосылки для ее пропитки жидким кремнием, в том числе низкой вязкости. Кроме того, в некоторых интервалах температур и давлений благодаря пористой структуре шликерного покрытия сохраняется доставка кремния к поверхности силицируемой заготовки в виде паров и/или конденсата паров кремния.Formation of a slip coating on the blank of carbon-graphite material based on a composition of silicon powder and a temporary binder provides direct delivery of silicon to its surface, which means that it creates the prerequisites for its impregnation with liquid silicon, including low viscosity. In addition, in some temperature and pressure ranges, due to the porous structure of the slip coating, the delivery of silicon to the surface of the siliconized preform in the form of vapor and / or condensate of silicon vapor is maintained.
Ведение нагрева заготовки (со сформированным на ней шликерным покрытием на основе композиции из порошка Si и временного связующего) до 1500°С при атмосферном давлении в среде азота позволяет сформировать на частицах порошка кремния оболочку из нитрида кремния (Si3N4) и тем самым создать предпосылки для обеспечения возможности нагрева заготовки до 1700°С со сравнительно низкой скоростью (100-350 град/час). При этом на кусочках кремния, загруженного в тигли, также образуется нитридокремниевая оболочка.Keeping the preform heated (with a slip coating formed on it based on a composition of Si powder and a temporary binder) to 1500 ° C at atmospheric pressure in a nitrogen atmosphere allows the formation of a silicon nitride (Si 3 N 4 ) shell on silicon powder particles and thereby create prerequisites for providing the possibility of heating the workpiece to 1700 ° C with a relatively low speed (100-350 deg / h). In this case, silicon nitride shells are also formed on pieces of silicon loaded into crucibles.
При температуре ниже 1500°С и атмосферном давлении из-за сравнительно низкой скорости нитридизации кремния необоснованно удлиняется процесс формирования на частицах Si поверхностной оболочки из нитрида кремния.At temperatures below 1500 ° C and atmospheric pressure, due to the relatively low rate of silicon nitridation, the formation of a silicon nitride surface shell on Si particles is unreasonably extended.
При температуре выше 1500°С из-за химического взаимодействия азота с углеродом оснастки образуется в большом количестве цианид, являющийся вредным веществом.At temperatures above 1500 ° C, due to the chemical interaction of nitrogen with carbon, a large amount of cyanide is formed, which is a harmful substance.
Ведение нагрева с 1500°С до 1700-1750°С при атмосферном давлении в среде аргона и наличии паров кремния в реакторе исключает возможность преждевременного (до достижения температуры 1700-1750°С) разрушения оболочки из нитрида кремния из-за его разложения на кремний и азот.Maintenance of heating from 1500 ° C to 1700-1750 ° C at atmospheric pressure in argon and the presence of silicon vapors in the reactor eliminates the possibility of premature (until the temperature reaches 1700-1750 ° C) destruction of the shell of silicon nitride due to its decomposition into silicon and nitrogen.
Проверка возможности ведения нагрева до 1700°С в среде аргона при давлении меньше атмосферного не проводилась, так как поставленная цель уже была достигнута.The verification of the possibility of heating to 1700 ° C in argon at a pressure lower than atmospheric was not carried out, since the goal was already achieved.
Поскольку образование из нитрида кремния жидкого кремния в указанных выше условиях протекает в достаточно узком интервале температур, а кремний (включая и тот, который имелся внутри оболочки из нитрида кремния), начиная уже с 1650°С, имеет низкую вязкость, то нет необходимости нагрев до 1700-1750°С производить с высокой скоростью (≥600 град/час), что является обязательным условием обеспечения объемной пропитки при использовании кремния, не подвергнутого нитридизации.Since the formation of liquid silicon from silicon nitride under the above conditions proceeds in a rather narrow temperature range, and silicon (including that which was inside the silicon nitride shell), starting from 1650 ° C, has a low viscosity, there is no need to heat to 1700-1750 ° С to be produced at a high speed (≥600 deg / h), which is a prerequisite for providing volumetric impregnation when using silicon not subjected to nitridation.
Образующийся из нитрида кремния (или кремния с наружной оболочкой из нитрида кремния) жидкий кремний, обладающий при этих температурах низкой вязкостью, пропитывает на всю толщину заготовку из пористого углеграфитового материала.Liquid silicon formed from silicon nitride (or silicon with an outer shell of silicon nitride), which has a low viscosity at these temperatures, impregnates a preform of porous carbon-graphite material to its entire thickness.
В момент разрушения нитридокремниевой оболочки на частицах кремниевого шликера разрушается указанная оболочка и на кусочках кремния, загруженного в тигли, что приводит к испарению кремния из тиглей.At the moment of destruction of the silicon nitride shell on particles of a silicon slip, the shell also breaks down on pieces of silicon loaded into crucibles, which leads to the evaporation of silicon from crucibles.
Поскольку образование расплава Si из нитрида кремния происходит в атмосфере паров Si, то расплав кремния не будет бесполезно расходоваться на испарение, а будет расходоваться лишь на пропитку заготовки.Since the formation of a Si melt from silicon nitride occurs in an atmosphere of Si vapor, the silicon melt will not be useless spent on evaporation, but will be spent only on the impregnation of the workpiece.
В свою очередь пропитка углеграфитового материала заготовки жидким кремнием, протекающая одновременно с его карбидизацией, в результате которой кремний тратится, приводит к ускорению диффузии паров Si из объема реактора в поры материала на восполнение образующегося там дефицита кремния.In turn, the impregnation of the carbon-graphite workpiece material with liquid silicon, which proceeds simultaneously with its carbidization, as a result of which silicon is wasted, accelerates the diffusion of Si vapor from the reactor volume into the pores of the material to compensate for the silicon deficit formed there.
Проведение выдержки при температуре 1750-1900°С и давлении 1-860 мм рт.ст. обеспечивает с одной стороны стекание с поверхности детали избытка расплава кремния, а с другой стороны - завершение карбидизации вошедшего в поры углеграфитового материала расплава кремния и паров кремния, диффундирующих в поры материала на восполнение образующегося по мере протекания реакции карбидизации дефицита кремния.Holding exposure at a temperature of 1750-1900 ° C and a pressure of 1-860 mm Hg on the one hand, excess silicon melt is drained from the surface of the part, and on the other hand, the carbidization of the silicon melt that has entered the pores of the carbon-graphite material and silicon vapors diffusing into the pores of the material to fill the silicon deficit formed as the carbidization reaction proceeds is completed.
При температуре ниже 1750°С не завершается как процесс стекания с поверхности детали избыточного (в тот конкретный момент времени) расплава кремния, так и процесс карбидизации вошедшего в поры углеграфитового материала кремния вплоть до образования слоя SiC предельной для диффузии углерода через него толщины (~80 мкм).At temperatures below 1750 ° C, both the process of the excess (at that particular time) silicon melt draining from the part surface and the carbidization of the carbon-graphite silicon material entering the pores, up to the formation of a SiC layer with a maximum thickness for carbon diffusion through it (~ 80 μm).
При температуре более 1900°С происходит разложение SiC на Si и С.At temperatures above 1900 ° C, SiC decomposes into Si and C.
Проведение выдержки при давлении менее 1 и более 860 мм рт.ст. приводит к усложнению технологии из-за усложнения аппаратурного обеспечения процесса.Holding exposure at a pressure of less than 1 and more than 860 mm RT.article leads to the complexity of the technology due to the complexity of the hardware of the process.
Проведение охлаждения в парах Si при давлении 1-350 мм рт.ст. обеспечивает заполнение открытых пор полученного (до операции охлаждения) УККМ свободным кремнием.Carrying out cooling in vapors of Si at a pressure of 1-350 mm Hg provides filling open pores of the obtained (before the cooling operation) UKKM with free silicon.
Проведение охлаждения в парах Si при давлении более 350 мм рт.ст. может привести к образованию наростов Si на поверхности силицируемой детали.Carrying out cooling in vapors of Si at a pressure of more than 350 mm Hg can lead to the formation of Si growths on the surface of the siliconized part.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность обеспечить ускоренную и равномерную доставку кремния в поры материала детали на всех стадиях процесса ее силицирования. Новое свойство позволяет повысить воспроизводимость результатов от режима к режиму (т.е. повысить стабильность свойств УККМ).In the new set of essential features, the object of the invention has a new property: the ability to provide accelerated and uniform delivery of silicon to the pores of the material of the part at all stages of the process of siliconizing it. The new property makes it possible to increase the reproducibility of the results from regime to regime (i.e., to increase the stability of the CCM properties).
Изготовление изделий из УККМ предлагаемым способом осуществляют следующим образом.The manufacture of products from UKKM by the proposed method is as follows.
Известными способами изготавливают заготовку из пористого углеграфитового материала. На заготовке формируют шликерное покрытие на основе порошка кремния и временного связующего. Затем заготовку нагревают до 800°С в вакууме, а с 800°С до 1500°С при атмосферном давлении в среде азота. При этом на поверхности частиц порошка кремния образуется оболочка из нитрида кремния, которая препятствует преждевременной (пока расплав кремния вязкий) пропитке им пористой заготовки. Затем заготовку нагревают до 1700-1750°С при атмосферном давлении в среде аргона или его смеси с азотом. Поскольку оболочка из нитрида кремния препятствует растеканию находящегося в ней расплава Si, то нет необходимости греть заготовку с 1350 до 1700°С с высокой скоростью (600 град/час), а именно: нагрев до 1700-1750°С ведут со скоростью 100-150 град/час. При этом в интервале температур 1700-1750°С нитрид кремния распадается на азот и жидкий кремний, в результате чего расплав кремния, ранее находившийся внутри оболочки из Si3N4, растекается по поверхности заготовки. Поскольку расплав Si при этих температурах имеет низкую вязкость, то он в силу капиллярного эффекта пропитывает заготовку на всю ее толщину. При этом одновременно с пропиткой пористой заготовки расплавом кремния протекает реакция его карбидизации.Known methods are made of a blank of porous carbon-graphite material. A slip coating is formed on the workpiece based on silicon powder and a temporary binder. Then the preform is heated to 800 ° C in vacuum, and from 800 ° C to 1500 ° C at atmospheric pressure in a nitrogen atmosphere. At the same time, a shell of silicon nitride is formed on the surface of the particles of silicon powder, which prevents premature (while the silicon melt is viscous) impregnation of the porous preform. Then the preform is heated to 1700-1750 ° C at atmospheric pressure in argon or its mixture with nitrogen. Since the shell of silicon nitride prevents the spreading of the Si melt in it, there is no need to heat the workpiece from 1350 to 1700 ° C at a high speed (600 deg / h), namely: heating to 1700-1750 ° C is carried out at a speed of 100-150 hail / hour. Moreover, in the temperature range 1700-1750 ° C, silicon nitride decomposes into nitrogen and liquid silicon, as a result of which the silicon melt, which was previously inside the shell of Si 3 N 4 , spreads over the surface of the workpiece. Since the Si melt at these temperatures has a low viscosity, due to the capillary effect, it impregnates the preform over its entire thickness. In this case, simultaneously with the impregnation of the porous preform with a silicon melt, its carbidization reaction proceeds.
Наличие в реакторе паров Si замедляет процесс испарения образовавшегося при разложении Si3N4 кремния, что способствует более полной пропитке им пористой заготовки.The presence of Si vapor in the reactor slows down the evaporation process of silicon formed during the decomposition of Si 3 N 4 , which contributes to a more complete impregnation of the porous preform.
Затем заготовку нагревают и выдерживают при температуре 1750-1900°С и давлении 1-860 мм рт.ст. в течение времени, которое дополняет выдержку при 1700-1900°С до 1-3 часов.Then the workpiece is heated and maintained at a temperature of 1750-1900 ° C and a pressure of 1-860 mm RT.article. for a time that complements the exposure at 1700-1900 ° C to 1-3 hours.
При этом избыток расплава кремния (как образующегося при разложении Si3N4, так и находящегося в период нагрева до 1700-1750°С внутри оболочки из Si3N4) стекает вниз, а в порах заготовки продолжает протекать реакция карбидизации кремния. При этом кремний расходуется и на место образовавшегося дефицита в поры заготовки диффундируют из объема реактора пары кремния. После окончания 1-3 часовой выдержки при температуре 1700-1900°С процесс карбидизации завершается, затем заготовку охлаждают в парах кремния при давлении 1-350 мм рт.ст., в результате чего происходит заполнение открытых пор УККМ свободным кремнием.In this case, the excess silicon melt (both formed during the decomposition of Si 3 N 4 and located inside the shell of Si 3 N 4 during heating to 1700-1750 ° C) flows down, and the silicon carbidization reaction continues in the pores of the workpiece. In this case, silicon is consumed and silicon vapors diffuse from the reactor volume into the pores of the billet in the place of the resulting deficit. After 1-3 hours of exposure at a temperature of 1700-1900 ° C, the carbidization process is completed, then the preform is cooled in silicon vapor at a pressure of 1-350 mm Hg, as a result of which the open pores of UKKM are filled with free silicon.
Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа изготовления деталей из УККМ.The following are examples of a specific implementation of the method of manufacturing parts from UKKM.
Пример 1Example 1
Изготавливали деталь в виде пластины размерами 660×440×4 мм. Для этого углепластиковую заготовку на основе высокомодульной углеродной ткани марки УТ-900 и фенолформальдегидного связующего марки БЖ карбонизовали в ретортной печи в среде азота при конечной температуре 850°С. Затем полученный при этом карбонизованный углепластик с плотностью 1,1-1,3 г/см3 насыщали пироуглеродом вакуумным изотермическим методом при температуре 900-1000°С до плотности 1,45-1,53 г/см3 и открытой пористости 6-12%.The part was made in the form of a plate with dimensions of 660 × 440 × 4 mm. For this, a carbon-plastic preform based on the high-modulus carbon fabric of the UT-900 brand and the phenol-formaldehyde binder of the BZ brand was carbonized in a retort furnace in a nitrogen atmosphere at a final temperature of 850 ° C. Then, the carbonized carbon fiber obtained with a density of 1.1-1.3 g / cm 3 was then saturated with pyrocarbon by a vacuum isothermal method at a temperature of 900-1000 ° C to a density of 1.45-1.53 g / cm 3 and an open porosity of 6-12 %
Затем на заготовке формировали шликерное покрытие на основе композиции из порошка кремния и временного связующего, в качестве которого использовали 4-8% раствор поливинилового спирта (ПВС) в воде, после чего заготовку размещали в замкнутом объеме реактора, располагая рядом с ней тигли с кремнием.Then, a slip coating was formed on the workpiece based on a composition of silicon powder and a temporary binder, which was used as a 4-8% solution of polyvinyl alcohol (PVA) in water, after which the workpiece was placed in a closed reactor volume, placing crucibles with silicon next to it.
Установку вакуумировали, заготовку нагревали до 800°С, после чего заполняли азотом до атмосферного давления.The installation was evacuated, the preform was heated to 800 ° C, after which it was filled with nitrogen to atmospheric pressure.
Затем заготовку нагревали с 800°С до 1500°С по режиму:Then the workpiece was heated from 800 ° C to 1500 ° C according to the mode:
- подъем температуры до 970°С со скоростью не более 350 град/час для исключения растрескивания шликерного покрытия,- raising the temperature to 970 ° C at a speed of not more than 350 degrees / hour to prevent cracking of the slip coating,
- выдержка при температуре 970-1000°С в течение 1-3 часов для диффузионного насыщения кремния азотом,- exposure at a temperature of 970-1000 ° C for 1-3 hours for diffusion saturation of silicon with nitrogen,
- подъем температуры с 1000 до 1300°С со скоростью не более 250 град/час,- temperature rise from 1000 to 1300 ° C at a speed of not more than 250 degrees / hour,
- выдержка при 1300-1350°С в течение 2-3 часов,- exposure at 1300-1350 ° C for 2-3 hours,
- подъем до 1450°С со скоростью не более 300 град/час,- rise to 1450 ° C at a speed of not more than 300 degrees / hour,
- выдержка при 1450±15°С в течение 2-3 часов,- exposure at 1450 ± 15 ° C for 2-3 hours,
- подъем до 1500°С со скоростью не более 150 град/час (скорость ограничена для исключения вытекания расплава Si из нитридокремниевой оболочки),- rise to 1500 ° C at a speed of not more than 150 deg / h (speed is limited to prevent leakage of the Si melt from the silicon nitride shell),
- выдержка при 1500±15°С в течение 2-3 часов.- exposure at 1500 ± 15 ° C for 2-3 hours.
При этом на поверхности частиц Si образовалась оболочка из Si3N4, препятствующая преждевременной пропитке расплавом Si пористой заготовки.In this case, a Si 3 N 4 shell was formed on the surface of the Si particles, which prevents premature impregnation of the porous preform with the molten Si.
Затем заготовку нагревали до 1700-1750°С при атмосферном давлении в среде аргона или его смеси с азотом со скоростью 150-200 град/час.Then the workpiece was heated to 1700-1750 ° C at atmospheric pressure in an argon atmosphere or its mixture with nitrogen at a speed of 150-200 deg / h.
При этом в интервале температур 1700-1750°С нитрид кремния распадался на азот и жидкий кремний, в результате чего расплав Si, ранее находившийся внутри оболочки из Si3N4, растекался по поверхности заготовки.In the temperature range 1700-1750 ° C, silicon nitride decomposed into nitrogen and liquid silicon, as a result of which the Si melt, which was previously inside the shell of Si 3 N 4 , spread over the surface of the workpiece.
Поскольку расплав Si при этих температурах имел низкую вязкость, то он в силу капиллярного эффекта пропитывал пористую заготовку на всю ее толщину.Since the Si melt at these temperatures had a low viscosity, due to the capillary effect, it impregnated the porous preform over its entire thickness.
После этого заготовку нагревали и выдерживали при температуре 1850-1900°С и давлении 18 мм рт.ст. в течение 1,5 часов; при этом общее время выдержки при температуре 1700-1900°С составило 3 часа. Затем заготовку охлаждали в парах Si при давлении 18 мм рт.ст. до температуры 50°С.After that, the workpiece was heated and kept at a temperature of 1850-1900 ° C and a pressure of 18 mm Hg. within 1.5 hours; while the total exposure time at a temperature of 1700-1900 ° C was 3 hours. Then, the preform was cooled in Si vapor at a pressure of 18 mm Hg. to a temperature of 50 ° C.
В результате получили деталь из УККМ с плотностью 1,74-1,83 г/см3, открытой пористостью 3-6%, пределом прочности на изгиб 120-155 МПа. Деталь не имела наплывов и наростов.As a result, a part was obtained from UKKM with a density of 1.74-1.83 g / cm 3 , an open porosity of 3-6%, and a flexural strength of 120-155 MPa. The item had no sag and growths.
Пример 2Example 2
Аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что нагрев при атмосферном давлении в среде азота проводили с 800 до 1400°С.Analogously to example 1 with the only difference being that heating at atmospheric pressure in a nitrogen medium was carried out from 800 to 1400 ° C.
В результате получили УККМ с разбросом плотности от 1,62 до 1,81 г/см3, а поверхность детали из УККМ была с наростами и наплывами.The result was a UKKM with a density spread of 1.62 to 1.81 g / cm 3 , and the surface of the part from the UKKM was with growths and sag.
Пример 3Example 3
Аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что нагрев при атмосферном давлении в среде аргона проводили до температуры 1650°С, после чего установку вакуумировали до остаточного давления 18 мм рт.ст. и нагревали до 1850°С с последующей выдержкой при 1850-1900°С в течение 1,5 часов.Analogously to example 1, with the only difference being that heating at atmospheric pressure in an argon medium was carried out to a temperature of 1650 ° C, after which the installation was evacuated to a residual pressure of 18 mm Hg. and heated to 1850 ° C, followed by exposure at 1850-1900 ° C for 1.5 hours.
В результате получили УККМ с низкой плотностью от 1,54 до 1,66 г/см3; при этом поверхность детали из УККМ была с наростами и наплывами.The result was a UKKM with a low density of from 1.54 to 1.66 g / cm 3 ; the surface of the part from UKKM was with growths and influxes.
Пример 4Example 4
Аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что охлаждение проводили в парах Si при давлении 760 мм рт.ст.Analogously to example 1 with the only difference that the cooling was carried out in Si vapor at a pressure of 760 mm Hg.
В результате получили УККМ с плотностью 1,73-1,82 г/см3, открытой пористостью 3-7%, пределом прочности на изгиб 116-148 МПа, а деталь имела на наружной поверхности слой покрытия из поликристаллического кремний толщиной от 0,5 до 1,5 мм.The result was a UKKM with a density of 1.73-1.82 g / cm 3 , an open porosity of 3-7%, a flexural strength of 116-148 MPa, and the part had a coating layer of polycrystalline silicon on the outer surface of a thickness of 0.5 up to 1.5 mm.
Пример 5Example 5
Аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что нагрев с 1700-1750°С до 1900°С проводили при атмосферном давлении в среде аргона или его смеси с азотом.Analogously to example 1, with the only difference being that heating from 1700-1750 ° C to 1900 ° C was carried out at atmospheric pressure in argon or its mixture with nitrogen.
При этом происходило стекание избытка расплава кремния с заготовки, а затекший в поры материала кремний карбидизовался.In this case, excess silicon melt drained from the preform, and silicon flowed into the pores of the material carbidized.
В результате получили деталь из УККМ с плотностью 1,72-1,81 г/см3, открытой пористостью 4,1-5,4%, пределом прочности на изгиб 124-149 МПа.As a result, a part was obtained from UKKM with a density of 1.72-1.81 g / cm 3 , an open porosity of 4.1-5.4%, and a flexural strength of 124-149 MPa.
На поверхности детали имелся легко счищаемый порошок карбида кремния.On the surface of the part there was an easily cleanable silicon carbide powder.
При изготовлении таких же деталей с применением способа-прототипа получали большой разброс плотности УККМ по высоте и ширине в пределах от 1,62 до 1,8 г/см3. Более того, статистическая обработка результатов силицирования деталей из УККМ в ретортах ⌀700×h 1600 мм и ⌀1700×h 2400 мм предлагаемым способом показала, что удовлетворительные результаты по степени и равномерности силицирования получены в 68 и 36% случаев, а по способу-прототипу - в 43 и 21% случаев соответственно.In the manufacture of the same parts using the prototype method, a wide spread of UKKM density in height and width in the range from 1.62 to 1.8 g / cm 3 was obtained. Moreover, the statistical processing of the results of silicification of parts from UKKM in retorts ⌀700 × h 1600 mm and ⌀1700 × h 2400 mm by the proposed method showed that satisfactory results on the degree and uniformity of silicification were obtained in 68 and 36% of cases, and according to the prototype method - in 43 and 21% of cases, respectively.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что детали из УККМ, изготовленные с применением предлагаемого способа, благодаря комбинированной жидко-парофазной пропитке УККМ кремнием, имеют небольшой разброс характеристик, а получаемые результаты более воспроизводимы, чем по способу-прототипу.The results obtained indicate that the details of UKKM made using the proposed method, due to the combined liquid-vapor phase impregnation of UKKM with silicon, have a small variation in characteristics, and the results are more reproducible than by the prototype method.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011131493/05A RU2469950C1 (en) | 2011-07-26 | 2011-07-26 | Method of manufacturing products from carbon-silicon carbide material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011131493/05A RU2469950C1 (en) | 2011-07-26 | 2011-07-26 | Method of manufacturing products from carbon-silicon carbide material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2469950C1 true RU2469950C1 (en) | 2012-12-20 |
Family
ID=49256485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011131493/05A RU2469950C1 (en) | 2011-07-26 | 2011-07-26 | Method of manufacturing products from carbon-silicon carbide material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2469950C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1303551A1 (en) * | 1985-06-27 | 1987-04-15 | Предприятие П/Я М-5409 | Charge for silification of carbon articles |
| RU1834839C (en) * | 1991-06-28 | 1993-08-15 | Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита | Method for saturation of porous carbon material with silicon carbide |
| RU2084425C1 (en) * | 1992-12-30 | 1997-07-20 | Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита | Method of manufacturing articles from carbon-silicon carbide composite material and carbon-silicon carbide composite material |
| DE19834018C1 (en) * | 1998-07-28 | 2000-02-03 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Method for producing a protective layer containing silicon carbide |
| RU2194682C2 (en) * | 2001-01-09 | 2002-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Method of manufacturing thin-wall products from silicicated carbon composite |
| CN101224988A (en) * | 2008-01-29 | 2008-07-23 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | Low-temperature preparation method of C/SiC ceramic matrix composite material |
-
2011
- 2011-07-26 RU RU2011131493/05A patent/RU2469950C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1303551A1 (en) * | 1985-06-27 | 1987-04-15 | Предприятие П/Я М-5409 | Charge for silification of carbon articles |
| RU1834839C (en) * | 1991-06-28 | 1993-08-15 | Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита | Method for saturation of porous carbon material with silicon carbide |
| RU2084425C1 (en) * | 1992-12-30 | 1997-07-20 | Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита | Method of manufacturing articles from carbon-silicon carbide composite material and carbon-silicon carbide composite material |
| DE19834018C1 (en) * | 1998-07-28 | 2000-02-03 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Method for producing a protective layer containing silicon carbide |
| RU2194682C2 (en) * | 2001-01-09 | 2002-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Method of manufacturing thin-wall products from silicicated carbon composite |
| CN101224988A (en) * | 2008-01-29 | 2008-07-23 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | Low-temperature preparation method of C/SiC ceramic matrix composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2480433C2 (en) | Method of making airgtight articles from carbon-silicon carbide material | |
| RU2351572C2 (en) | Method for manufacture of products from carbon-ceramic composite material | |
| CN109354506A (en) | A kind of high-temperature oxidation resistant carbon ceramic composite material and preparation method thereof | |
| RU2490238C1 (en) | Method of manufacturing products from composite materials and device for its realisation | |
| Golden et al. | Thermochemical stability of Y2Si2O7 in high‐temperature water vapor | |
| RU2458889C1 (en) | Method of making articles from carbon-silicon carbide material | |
| US20070014990A1 (en) | Support structure for radiative heat transfer | |
| RU2470857C1 (en) | Method of making parts from carbon-carbide-silicon material | |
| RU2601049C1 (en) | Method of applying gas-tight coating of silicon carbide | |
| EP1888813B1 (en) | Method for the rapid densification of a porous fibrous substrate, comprising the formation of a solid deposit within the porosity of the substrate | |
| RU2469950C1 (en) | Method of manufacturing products from carbon-silicon carbide material | |
| RU2464250C1 (en) | Method of making articles from carbon-silicon carbide material | |
| RU2603330C2 (en) | Method of producing multifunctional ceramic matrix composite materials (versions) | |
| RU2559248C1 (en) | Method of manufacturing of tight items out of carbon-silicon carbide composite material | |
| RU2570075C1 (en) | Method to manufacture products from ceramo-matrix composite material | |
| RU2539465C2 (en) | Method for manufacturing products of reaction-sintered composite material | |
| RU2569385C1 (en) | Method of making articles from heat-resistant composite materials | |
| RU2494998C2 (en) | Method of making articles from carbon-silicon carbide material | |
| RU2497778C1 (en) | Method of producing articles from carbon-siliconcarbide material | |
| RU2570076C1 (en) | Method to manufacture items from composite material with carbon-ceramic matrix | |
| RU2561096C1 (en) | Method of producing articles from carbon-silicon-carbide composite (cscc) | |
| RU2468991C1 (en) | Method of manufacturing products from carbon-silicon material | |
| RU2716323C1 (en) | Method of protecting carbon-containing composite materials of large-size articles from oxidation | |
| RU2510386C1 (en) | Method of making articles from composite material | |
| RU2494043C1 (en) | Method of making articles from carbon-silicon carbide material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180727 |