RU2494962C1 - Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material - Google Patents

Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material Download PDF

Info

Publication number
RU2494962C1
RU2494962C1 RU2012104671/05A RU2012104671A RU2494962C1 RU 2494962 C1 RU2494962 C1 RU 2494962C1 RU 2012104671/05 A RU2012104671/05 A RU 2012104671/05A RU 2012104671 A RU2012104671 A RU 2012104671A RU 2494962 C1 RU2494962 C1 RU 2494962C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
carbon
composition
slip coating
heating
Prior art date
Application number
RU2012104671/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012104671A (en
Inventor
Вячеслав Максимович Бушуев
Максим Вячеславович Бушуев
Владимир Юрьевич Чунаев
Игорь Лазаревич Синани
Александр Сергеевич Воробьев
Original Assignee
Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" filed Critical Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов"
Priority to RU2012104671/05A priority Critical patent/RU2494962C1/en
Publication of RU2012104671A publication Critical patent/RU2012104671A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2494962C1 publication Critical patent/RU2494962C1/en

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention can be used in obtaining construction materials, operating in conditions of high thermal load and oxidative medium, for chemical, petrochemical, chemical-metallurgical industry and aeronautic engineering. Slip coating, based on composition of silicifying agent and temporary binding agent, is formed on work-piece from porous carbon-graphite material. Slip coating is made combined with internal layer basing on composition from silicon nitride powder and non-coke-forming polymer binding agent and external one, basing on composition from mixture of silicon carbide and quartz powders, taken in ratio 1:(2-3), and liquid glass, or siloxane binding agent, or colloidal solution of silica in water. After that, silicifying is performed by heating work-piece in vacuum to temperature 1800 °C, exposure for 1-2 hours at 1800-1850 °C and cooling. Silicifying is carried out in silicon vapours with pressure in reactor not higher than 35 mm Hg, for which purpose crucibles with silicon are additionally installed into charge. Heating in the interval 1400-1700 °C is carried out with rate not less than 300-350 degrees/hour.
EFFECT: simplified method of manufacturing large-sized products from carbon-carbide-silicon material, ensuring high purity of their surface and high strength.
3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды и может быть использовано в химической, нефте-химической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.The invention relates to the field of structural materials operating under high thermal loading and an oxidizing environment and can be used in the chemical, petrochemical and chemical-metallurgical industries, as well as in aircraft to create products and structural elements exposed to aggressive environments.

Известен способ изготовления изделий из УККМ, включающий изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала и ее силицирование жидкофазным методом путем погружения заготовки в расплав кремния [пат. США №4397901, кл. C2311/08, 1983 г.]A known method of manufacturing products from UKKM, including the manufacture of a workpiece from a porous carbon-graphite material and its silicification by the liquid-phase method by immersing the workpiece in a silicon melt [US Pat. US No. 4397901, CL C2311 / 08, 1983]

Недостатком способа является его сложность из-за сложного аппаратурного оформления при использовании его для изготовления крупногабаритных изделий.The disadvantage of this method is its complexity due to the complex hardware design when using it for the manufacture of bulky products.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из УККМ, включающий изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала, формирование на ней шликерного покрытия на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего с последующим силицированием заготовки путем нагрева ее в вакууме до температуры 1800°C, выдержки в течение 1-2 часов при 1800-1850°С и охлаждения. При этом в качестве силицирующего агента в шликерном покрытии используют порошок кремния [пат. РФ №3084425, кл. C04B 35/52, 1997 г.].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, the formation of a slip coating on it based on a composition of a siliconizing agent and a temporary binder, followed by siliconizing the workpiece by heating it in vacuum to a temperature 1800 ° C, holding for 1-2 hours at 1800-1850 ° C and cooling. Moreover, silicon powder is used as a siliconizing agent in a slip coating [US Pat. RF №3084425, class C04B 35/52, 1997].

Благодаря упрощению аппаратурного оформления упрощается технология изготовления.By simplifying the hardware design, manufacturing technology is simplified.

Тем не менее он остается еще достаточно сложным применительно к изготовлению крупногабаритных изделий из-за необходимости нагрева их с 1300 до 1650°C со скоростью не менее 600 град/час для быстрого перевода расплава кремния в низковязкое состояние. В противном случае (при низкой скорости нагрева) происходит затекание вязкого расплава кремния в поверхностные поры материала заготовки и его науглероживание, что приводит к потере его способности течь при последующем нагреве и, как следствие, к поверхностному силицированию с образованием наростов на изделии. К увеличению вязкости расплава кремния приводит также его частичная карбидизация из-за взаимодействия с углерод содержащим и реакторными газами.Nevertheless, it still remains quite complicated in relation to the manufacture of large-sized products because of the need to heat them from 1300 to 1650 ° C at a speed of at least 600 deg / h for quickly transferring the silicon melt to a low-viscosity state. Otherwise (at a low heating rate), a viscous silicon melt flows into the surface pores of the workpiece material and is carbonized, which leads to a loss of its ability to flow during subsequent heating and, as a result, to surface silicification with the formation of growths on the product. A partial carbidization due to the interaction with carbon-containing and reactor gases also leads to an increase in the viscosity of the silicon melt.

Задачей изобретения является упрощение способа изготовления крупногабаритных изделий из УККМ с обеспечением высокой чистоты их поверхности и высокой прочности УККМ.The objective of the invention is to simplify the method of manufacturing large-sized products from UKKM with high purity of their surface and high strength UKKM.

Эта задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из УККМ, включающем изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала, формирование на ней шликерного покрытия на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего с последующим силицированием заготовки путем нагрева ее в вакууме в течение 1-2 часов при 1800-1850°C и охлаждения, в соответствии с заявляемым способом шликерное покрытие выполняют комбинированным с внутренним слоем на основе композиции из порошка нитрида кремния и некоксообразующего полимерного связующего и наружным- на основе композиции из смеси порошков карбида кремния и кварца, взятых в соотношении 1:(2:3), и жидкого стекла или силоксанового связующего, или коллоидного раствора кремнезема в воде; при этом силицирование проводят в парах кремния при давлении в реакторе не более 35 мм рт.ст., для чего в садку устанавливают тигли с кремнием.This problem is solved due to the fact that in the method of manufacturing products from UKKM, including the manufacture of a workpiece from porous carbon-graphite material, the formation of a slip coating on it based on a composition of a siliconizing agent and a temporary binder, followed by siliconizing the workpiece by heating it in vacuum for 1- 2 hours at 1800-1850 ° C and cooling, in accordance with the claimed method, a slip coating is performed combined with the inner layer based on a composition of silicon nitride powder and is non-coke-forming polymeric binder and external based on a composition of a mixture of powders of silicon carbide and quartz, taken in the ratio 1: (2: 3), and liquid glass or a siloxane binder, or a colloidal solution of silica in water; while siliconization is carried out in silicon vapor at a pressure in the reactor of not more than 35 mm Hg, for which crucibles with silicon are installed in the charge.

В одном из более предпочтительных вариантов осуществления способа силицирование проводят в насыщенных парах кремния.In one of the more preferred embodiments of the method, silicification is carried out in saturated silicon vapors.

В другом предпочтительном варианте осуществления способа нагрев в интервале 1400-1700°C проводят со скоростью не менее 300-350 град/час.In another preferred embodiment of the method, heating in the range of 1400-1700 ° C is carried out at a rate of at least 300-350 degrees / hour.

Использование в шликерной композиции для внутреннего слоя шликерного покрытия композиции из порошка нитрида кремния и некоксообразующего полимерного связующего в совокупности с проведением силицирования в парах кремния при давлении в реакторе не более 35 мм рт.ст. обеспечивает возможность получения из нитрида кремния расплава кремния. В этих условиях разложение нитрида кремния происходит при температуре 1600-1650°C с ~40%-ым выходом расплава и ~60%-ым - паров кремния от стехиометрического.The use of a composition of silicon nitride powder and a non-coking polymer binder in combination with siliconization in silicon vapors at a pressure in the reactor of not more than 35 mm Hg in the slip composition for the inner layer of slip coating. provides the ability to obtain a silicon melt from silicon nitride. Under these conditions, the decomposition of silicon nitride occurs at a temperature of 1600-1650 ° C with ~ 40% yield of the melt and ~ 60% of the silicon vapor from stoichiometric.

При давлении в реакторе более 35 мм рт.ст. уменьшается концентрация паров кремния из-за снижения скорости его испарения, а также повышается температура, при которой происходит разложение нитрида кремния.When the pressure in the reactor is more than 35 mm Hg the concentration of silicon vapors decreases due to a decrease in its evaporation rate, and also the temperature at which decomposition of silicon nitride occurs.

В интервале температур 1600-1650°C расплав кремния имеет приемлемую (не слишком высокую и не слишком низкую) химическую активность, что позволяет исключить карбидизацию углеродных волокон.In the temperature range 1600-1650 ° C, the silicon melt has an acceptable (not too high and not too low) chemical activity, which eliminates the carbidization of carbon fibers.

В интервале температур 1600-1650°C расплав кремния имеет низкую вязкость. Поэтому он мог бы пропитать на всю толщину заготовку из пористого углеграфитового материала, а его избыток - стечь с заготовки. Однако при низкой скорости нагрева, а значит длительном контакте с углеродсодержащими реакторными газами, нитрид кремния частично карбидизуется с образованием тугоплавких соединений, а именно: карбида и карбонитрида кремния. Их наличие в расплаве кремния приводит к увеличению его вязкости и, как следствие, к поверхностному силицированию с образованием на поверхности заготовки наростов.In the temperature range 1600-1650 ° C, the silicon melt has a low viscosity. Therefore, he could impregnate a preform of porous carbon-graphite material to its full thickness, and its excess would drain from the preform. However, at a low heating rate, and hence prolonged contact with carbon-containing reactor gases, silicon nitride partially carbides with the formation of refractory compounds, namely silicon carbide and carbonitride. Their presence in the silicon melt leads to an increase in its viscosity and, as a consequence, to surface silicification with the formation of growths on the surface of the preform.

Проведение процесса силицирования в парах кремния позволяет химически связать по крайней мере часть углеродсодержащих газов. Однако, в интервале 1000-1300°C еще мала концентрация паров кремния, а значит, мала эффективность связывания ими углеродсодержащих газов.The siliconization process in silicon vapors allows chemically bonding at least a portion of the carbon-containing gases. However, in the range of 1000–1300 ° C, the concentration of silicon vapors is still low, which means that the efficiency of their binding of carbon-containing gases is low.

Выполнение шликерного покрытия комбинированным с наружным слоем на основе композиции из смеси порошков карбида кремния и кварца, взятых в соотношении 1:(2:3), и жидкого стекла или силоксанового, или коллоидного раствора кремнезема в воде, в совокупности с проведением процесса силицирования в парах кремния позволяет существенно уменьшить количество и время контакта углеродсодержащих газов с частицами нитрида кремния.Performing a slip coating combined with an outer layer based on a composition of a mixture of powders of silicon carbide and quartz, taken in the ratio 1: (2: 3), and liquid glass or siloxane or colloidal solution of silica in water, in conjunction with the process of silicification in pairs silicon can significantly reduce the amount and time of contact of carbon-containing gases with particles of silicon nitride.

В интервале 1000-1300°C это достигается за счет того, что внутренний слой защищен от доступа к нему углеродсодержащих газов наружным плотным слоем шликерного покрытия.In the range of 1000-1300 ° C, this is achieved due to the fact that the inner layer is protected from access to it by carbon-containing gases with an outer dense layer of slip coating.

Выше 1300°C по мере повышения концентрации паров кремния происходит их химическое взаимодействие с двуокисью кремния (SiO2), входящей в состав жидкого стекла (или силоксанового, или коллоидного раствора кремнезема в воде) и смесь порошков (SiC и SiO2), с образованием моноокиси кремния (SiO)Above 1300 ° C, as the concentration of silicon vapors increases, they chemically interact with silicon dioxide (SiO 2 ), which is part of liquid glass (or siloxane or colloidal silica in water) and a mixture of powders (SiC and SiO 2 ), with the formation silicon monoxide (SiO)

S i O 2 + S i п а р 2 S i O п а р                      (1)

Figure 00000001
S i O 2 + S i P but R 2 S i O P but R (one)
Figure 00000001

Моноокись кремния (SiO) диффундирует в объем реактора, двигаясь навстречу потоку углеродсодержащих газов. Моноокись кремния имеет более высокое давление (концентрацию) паров, чем кремний, и поэтому способна в большей степени химически связывать углеродсодержащие газы, в частности угарный газ (CO), по реакциям:Silicon monoxide (SiO) diffuses into the reactor volume, moving towards the flow of carbon-containing gases. Silicon monoxide has a higher vapor pressure (concentration) than silicon, and therefore is able to chemically bind carbon-containing gases, in particular carbon monoxide (CO), to a greater extent by the reactions:

S i O + C O S i + C O 2                        (2)

Figure 00000002
S i O + C O S i + C O 2 (2)
Figure 00000002

S i O + 3 C O S i C + C O 2                     (3)

Figure 00000003
S i O + 3 C O S i C + C O 2 (3)
Figure 00000003

В интервале 1300-1500°C уменьшение количества и времени контакта частиц нитрида кремния с углеродсодержащими газами достигается за счет того, что часть толщины наружного слоя все еще остается плотной и защищает внутренний слой от доступа к нему углеродсодержащих газов.In the range 1300-1500 ° C, a decrease in the number and time of contact of silicon nitride particles with carbon-containing gases is achieved due to the fact that part of the thickness of the outer layer is still dense and protects the inner layer from access to it by carbon-containing gases.

Выше 1500°C начинает протекать реакция между SiC и SiO2 с образованием летучей SiO:Above 1500 ° C, a reaction begins to occur between SiC and SiO 2 with the formation of volatile SiO:

S i C + 2 S i O 2 3 S i O + C O                     (4)

Figure 00000004
S i C + 2 S i O 2 3 S i O + C O (four)
Figure 00000004

В результате ее протекания, а также благодаря тому, что SiC и SiO2 взяты в соотношении 1:(2:3), происходит полное разложение наружного слоя шликерного покрытия. Тем самым исключается вероятность попадания тугоплавких частиц SiC в расплав кремния к моменту разложения нитрида кремния на расплав и пар кремния, т.е. к моменту достижения интервала температур 1500-1650°C защиту частиц Si3N4 от карбидизации выполняют пары SiO и Si, a именно: пар SiO движется навстречу углеродсодержащим газам и тем самым уменьшает их скорость диффузии к Si3N4, а пары кремния частично химически связывают углеродсодержащие газы по реакциям:As a result of its course, and also due to the fact that SiC and SiO 2 are taken in the ratio 1: (2: 3), the outer layer of the slip coating is completely decomposed. This eliminates the possibility of the penetration of refractory SiC particles into the silicon melt at the time of decomposition of silicon nitride into a melt and silicon vapor, i.e. by the time the temperature range of 1500-1650 ° C is reached, the Si 3 N 4 particles are protected from carbidization by SiO and Si vapors, namely: SiO vapor moves towards carbon-containing gases and thereby reduces their diffusion rate to Si 3 N 4 , and partially silicon vapor chemically bind carbon-containing gases by the reactions:

S i п а р + 2 C O   t > 1500 o C S i C + C O 2                   (5)

Figure 00000005
S i P but R + 2 C O t > 1500 o C S i C + C O 2 (5)
Figure 00000005

Проведение силицирования в насыщенных парах кремния обеспечивает с одной стороны возможность связывания углеродсодержащих газов в большем количестве, чем в ненасыщенных парах, с другой стороны позволяет в большей степени противодействовать процессу преждевременного (до достижения интервала температур 1600-1650°C) разложения нитрида кремния.Siliconization in saturated silicon vapors provides, on the one hand, the possibility of binding carbon-containing gases in a greater amount than in unsaturated vapors, and, on the other hand, allows more to counteract the process of premature (before reaching the temperature range 1600-1650 ° C) decomposition of silicon nitride.

Проведение нагрева в интервале температур 1400-1700°C со скоростью не менее 300-350 град/час позволяет уменьшить время контакта частиц нитрида кремния с углеродсодержащим и газами и тем самым в еще большей степени предохранить их от карбидизации, а также обеспечить быстрое стекание и испарение избытка расплава кремния с поверхности силицируемой заготовки.Carrying out heating in the temperature range of 1400-1700 ° C with a speed of at least 300-350 deg / h allows you to reduce the contact time of silicon nitride particles with carbon-containing and gases and thereby to even more protect them from carbidization, as well as to ensure rapid runoff and evaporation excess silicon melt from the surface of the siliconized workpiece.

Продолжение нагрева с 1700 до 1800°C обеспечивает возможность завершения процесса отекания и испарения избытка расплава кремния с поверхности заготовки.Continued heating from 1700 to 1800 ° C provides the possibility of completing the process of swelling and evaporation of the excess silicon melt from the surface of the workpiece.

Проведение выдержки в течение 1-2 часов при температуре 1800-1850°C обеспечивает завершение карбидизации вошедшего в поры материала заготовки кремния.Holding for 1-2 hours at a temperature of 1800-1850 ° C ensures the completion of carbidization of the silicon workpiece that has entered the pores.

Охлаждение обеспечивает завершение технологического процесса силицирования.Cooling ensures the completion of the siliconization process.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать расплаву кремния низкую вязкость к моменту пропитки им пористого углеграфитового материала при температуре, не превышающей 1650°C, когда расплав кремния имеет приемлемую (не низкую и не слишком высокую) химическую активность, без необходимости нагрева с 1400 до 1700°C с высокой скоростью, а именно: не менее 600 град/час (в предлагаемом способе допустим нагрев с меньшей, чем 600 град/час, скоростью, а именно: 250-300 град/час).In the new set of essential features, the object of the invention has a new property: the ability to give a silicon melt a low viscosity at the time it is impregnated with a porous carbon-graphite material at a temperature not exceeding 1650 ° C, when the silicon melt has an acceptable (not low and not too high) chemical activity, without the need for heating from 1400 to 1700 ° C at a high speed, namely: at least 600 deg / h (in the proposed method, it is possible to heat with less than 600 deg / h, speed, namely: 250-300 deg / h).

Новое свойство позволяет упростить способ изготовления крупногабаритных изделий из УККМ и обеспечить при этом высокую чистоту их поверхности и высокую прочность УККМ.The new property allows us to simplify the method of manufacturing large-sized products from UKKM and at the same time ensure high surface cleanliness and high strength UKKM.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Одним из известных способов изготавливают заготовку из пористого углеграфитового материала. Затем формируют на ней шликерное покрытие, которое выполняют комбинированным, а именно: с внутренним слоем на основе композиции из порошка нитрида кремния и некоксообразующего полимерного связующего, и наружным - на основе композиции из смеси порошков карбида кремния и кварца, взятых в соотношении 1:(2:3), и жидкого стекла, или силоксанового связующего, или коллоидного раствора кремнезема в воде.One of the known methods is made of a blank of porous carbon-graphite material. Then a slip coating is formed on it, which is combined, namely: with an inner layer based on a composition of silicon nitride powder and a non-coking polymer binder, and an outer layer based on a composition of a mixture of silicon carbide and quartz powders taken in the ratio 1: (2 : 3), and liquid glass, or a siloxane binder, or a colloidal solution of silica in water.

После этого проводят силицирование заготовки путем нагрева ее в вакууме до 1800°C, выдержки в течение 1-2 часов при 1800-1850°C и охлаждения.After that, the workpiece is silicified by heating it in vacuum to 1800 ° C, holding for 1-2 hours at 1800-1850 ° C and cooling.

При этом силицирование проводят при давлении в реакторе не более 35 мм рт.ст. в парах кремния, для чего внутрь реторты помещают наряду с заготовкой тигли с кремнием.In this case, silicification is carried out at a pressure in the reactor of not more than 35 mm Hg. in silicon vapors, for which crucibles with silicon are placed inside the retort along with the workpiece.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления способа тигли с кремнием и силицируемую заготовку помещают в реторту, имеющую квазизамкнутый объем, т.е. объем, влиянием утечки из которого паров кремния на образование их ненасыщенного состояния можно пренебречь, что обеспечивает образование насыщенных паров кремния.In one preferred embodiment of the method, silicon crucibles and a siliconized preform are placed in a retort having a quasiclosed volume, i.e. volume, the effect of leakage from which silicon vapors on the formation of their unsaturated state can be neglected, which ensures the formation of saturated silicon vapors.

Еще в одном из предпочтительных вариантов осуществления способа часть тиглей заполняют порошкообразным кремнием.In another preferred embodiment of the method, part of the crucibles is filled with powdered silicon.

При нагреве заготовки до температуры плавления кремния происходит поглощение углеродсодержащих газов порошком кремния, а также парами кремния. Начиная с 1100°C поглощение углеродсодержащих газов осуществляется также моноокисью кремния (SiO), образующейся по реакции (1). Следствием этого является уменьшение вероятности карбидизации Si3N4.When the billet is heated to the melting temperature of silicon, carbon-containing gases are absorbed by silicon powder, as well as silicon vapors. Starting from 1100 ° C, the absorption of carbon-containing gases is also carried out by silicon monoxide (SiO) formed by reaction (1). The consequence of this is a decrease in the probability of carbidization of Si 3 N 4 .

Еще в большей степени функцию защиты Si3N4 от карбидизации выполняет до температуры 1500°C плотный наружный слой шликерного покрытия, препятствующий доступу углеродсодержащих газов к внутреннему слою шликерного покрытия.To an even greater extent, the function of protecting Si 3 N 4 from carbidization is performed by a dense outer layer of slip coating up to a temperature of 1500 ° C, which impedes the access of carbon-containing gases to the inner layer of slip coating.

К моменту достижения температуры 1600-1650°C весь (без остатка) наружный слой шликерного покрытия разлагается за счет протекания реакции (4) и улетучивается в виде паров SiO и газообразной CO, что исключает вероятность попадания частиц SiC в расплав кремния, образующийся при разложении Si3N4.By the time the temperature reaches 1600-1650 ° C, the entire (without residue) outer layer of the slip coating decomposes due to reaction (4) and escapes in the form of SiO vapor and gaseous CO, which eliminates the possibility of SiC particles entering the silicon melt resulting from the decomposition of Si 3 N 4 .

В интервале 1500-1650°C функцию защиты частиц Si3N4 от карбидизации выполняют пары кремния, связывающие углеродсодержащие газы в SiC по реакции (5).In the range of 1500-1650 ° C, the function of protecting Si 3 N 4 particles from carbidization is performed by silicon vapors that bind carbon-containing gases in SiC by reaction (5).

Благодаря защитному действию плотного наружного слоя шликерного покрытия, а также поглотительной способности паров SiO и Si, нагрев в интервале 1400-1700°C можно проводить со скоростью 250-300 град/час.Due to the protective effect of the dense outer layer of the slip coating, as well as the absorption capacity of SiO and Si vapors, heating in the range of 1400-1700 ° C can be carried out at a speed of 250-300 deg / h.

Осуществление нагрева с 1400 до 1700°C со скоростью не менее 300-350 град/час, которое предусматривает еще один из предпочтительных вариантов осуществления способа, позволяет в еще большей степени снизить вероятность карбидизации частиц Si3N4.The implementation of heating from 1400 to 1700 ° C at a speed of at least 300-350 deg / h, which provides yet another of the preferred embodiments of the method, allows to further reduce the likelihood of carbidization of particles of Si 3 N 4 .

В интервале 1600-1650°C, когда бесследно исчезает наружный слой шликерного покрытия, нитрид кремния, входящий в состав внутреннего слоя шликерного покрытия, разлагается с образованием 40% расплава кремния и 60% паров кремния.In the range 1600-1650 ° C, when the outer layer of the slip coating disappears without a trace, silicon nitride, which is part of the inner layer of the slip coating, decomposes with the formation of 40% molten silicon and 60% silicon vapor.

Благодаря этому, а также защитному действию паров кремния, образовавшийся, из Si3N4 расплав кремния не содержит тугоплавких частиц карбида и карбонитрида кремния и поэтому имеет соответствующую температурам 1600-1650°C низкую вязкость.Due to this, as well as the protective effect of silicon vapors, the silicon melt formed from Si 3 N 4 does not contain refractory particles of silicon carbide and carbonitride and therefore has a low viscosity corresponding to temperatures of 1600-1650 ° C.

Под воздействием капиллярных сил часть расплава кремния затекает в поры материала, в результате чего материал заготовки па всю ее толщину пропитывается расплавом, а избыток его стекает и испаряется с поверхности заготовки при последующем нагреве.Under the influence of capillary forces, a part of the silicon melt flows into the pores of the material, as a result of which the workpiece material is saturated with the melt throughout its thickness, and its excess flows off and evaporates from the surface of the workpiece upon subsequent heating.

Заполнение пор заготовки кремнием происходит кроме того за счет диффузии в них паров кремния и/или капиллярной конденсации паров кремния.The filling of the pores of the preform with silicon occurs in addition due to the diffusion of silicon vapors in them and / or capillary condensation of silicon vapors.

Последующий нагрев проводят до температуры 1800°C, после чего производят 1-2 часовую выдержку при 1800-1850°C. При этом завершается карбидизация вошедшего в поры материала кремния.Subsequent heating is carried out to a temperature of 1800 ° C, after which they produce 1-2 hours exposure at 1800-1850 ° C. This completes the carbidization of the silicon material that has entered the pores.

После этого производят охлаждение садки и извлекают заготовку из реактора.After this, the cages are cooled and the workpiece is removed from the reactor.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа.The following are examples of specific implementation of the method.

Пример 1Example 1

Изготавливали из ткани марки УТ-900 и фенолформальдегидного связующего марки БЖ углепластиковую заготовку в виде пластины размером 120×360×5 мм, карбонизовали ее при конечной температуре 850°C с последующей высокотемпературной обработкой (ВТО) при 1800°C. Затем заготовку из прошедшего ВТО карбонизованного углепластика насыщали пироуглеродом вакуумным изотермическим методом.A carbon-plastic preform in the form of a plate 120 × 360 × 5 mm in size was made of UT-900 brand fabric and phenol-formaldehyde binder grade BZ, it was carbonized at a final temperature of 850 ° C followed by high-temperature treatment (WTO) at 1800 ° C. Then, the carbon-fiber-reinforced carbon fiber composite from the past WTO was saturated with pyrocarbon by a vacuum isothermal method.

Получили заготовку из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) с плотностью 1,48 г/см3 и открытой пористостью 9,7%. Затем на заготовке сформировали комбинированное шликерное покрытие, а именно: внутренний его слой сформировали на основе композиции из порошка нитрида кремния и некоксообразующего связующего (в качестве которого использовали 4%-ый водный раствор поливинилового спирта (ПВС)), а наружный слой сформировали на основе композиции из смеси порошков карбида кремния и кварца, взятых в соотношении 1:3 и жидкого стекла. Вес внутреннего слоя шликерного покрытия составил 60% от веса пластины из УУКМ, а вес наружного слоя - 38%. Затем пластину со сформированным на ней шликерным покрытием установили в оснастку для силицирования; при этом наряду с пластиной в садку установили 2 тигля с кремнием. Затем произвели нагрев заготовки до 1800°C при давлении в реакторе 27 мм рт.ст. в парах кремния. В конкретном случае нагрев до 1000°C произвели со скоростью 100 град/час, с 1000 до 1400°C - 180 град/час, с 1400 до 1700°C - 280 град/час и с 1700 до 1800°C - 90 град/час.Received a blank of carbon-carbon composite material (CCCM) with a density of 1.48 g / cm 3 and an open porosity of 9.7%. Then, a combined slip coating was formed on the workpiece, namely: its inner layer was formed on the basis of a composition of silicon nitride powder and a non-coking binder (which was used as a 4% aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA)), and the outer layer was formed on the basis of the composition from a mixture of powders of silicon carbide and quartz, taken in a ratio of 1: 3 and liquid glass. The weight of the inner layer of the slip coating was 60% of the weight of the plate from the CCM, and the weight of the outer layer was 38%. Then the plate with the slip coating formed on it was installed in a tool for siliconizing; in addition to the plate, 2 crucibles with silicon were installed in the cage. Then, the workpiece was heated to 1800 ° C at a reactor pressure of 27 mm Hg. in silicon vapors. In a specific case, heating to 1000 ° C was performed at a speed of 100 deg / h, from 1000 to 1400 ° C - 180 deg / h, from 1400 to 1700 ° C - 280 deg / h and from 1700 to 1800 ° C - 90 deg / hour.

Начиная с 1100°C происходило химическое связывание углеродсодержащих газов моноокисью кремния, образующейся по реакции (1). Начиная с 1500°C продолжалось химическое связывание углеродсодержащих газов моноокисью кремния, образующей уже по реакции (4).Starting from 1100 ° C, carbon-containing gases were chemically bonded with silicon monoxide formed by reaction (1). Starting from 1500 ° C, the chemical bonding of carbon-containing gases continued with silicon monoxide, which is already formed by reaction (4).

Кроме того, на протяжении всего процесса силицирования углеродсодержащие газы связывались также парами кремния.In addition, throughout the process of silicification, carbon-containing gases were also bound by silicon vapors.

К моменту достижения температуры 1600-1650°C весь (без остатка) наружный слой шликерного покрытия разлагался за счет протекания реакции (4) и улетучивания в виде паров SiO и газообразной CO, что исключало вероятность попадания частиц SiC в расплав кремния, образующийся при разложении нитрида кремния.By the time the temperature reaches 1600-1650 ° C, the entire (without residue) outer layer of the slip coating was decomposed due to reaction (4) and volatilization in the form of SiO vapor and gaseous CO, which excluded the possibility of SiC particles entering the silicon melt resulting from the decomposition of nitride silicon.

В интервале 1600-1650°C, когда бесследно исчезал наружный слой шликерного покрытия, нитрид кремния, входящий в состав внутреннего слоя шликерного покрытия, разлагался. Образующийся при этом расплав кремния, имеющий в указанном интервале температур низкую вязкость, пропитывал поры УУКМ, а избыток его стекал и испарялся с поверхности заготовки при последующем нагреве с 1650 до 1800°C.In the range 1600-1650 ° C, when the outer layer of the slip coating disappeared without a trace, silicon nitride, which is part of the inner layer of the slip coating, decomposed. The silicon melt formed in this case, which has a low viscosity in the indicated temperature range, impregnated the pores of the CCCM, and its excess drained and evaporated from the surface of the preform upon subsequent heating from 1650 to 1800 ° C.

Затем производили выдержку при 1800-1850°C в течение 2 часов и охлаждение.Then produced exposure at 1800-1850 ° C for 2 hours and cooling.

В результате получили пластину из УККМ плотностью 1,74 г/см3, открытой пористостью 4,8% и содержанием кремния - 14,9%. На поверхности пластины отсутствовали наросты. В результате исследования ФМХ УККМ на образцах, вырезанных из пластины, получены следующие показатели: σpo - 144 МПа, σизго - 182 МПа, σсжо - 112 МПа.The result was a plate made of UKKM with a density of 1.74 g / cm 3 , open porosity of 4.8% and a silicon content of 14.9%. There were no growths on the surface of the plate. The study FMH UKKM on samples cut from the plate obtained following parameters: σ p o - 144 MPa, σ mfd about - 182 MPa, σ SJ about - 112 MPa.

Пример 2Example 2

Деталь изготавливали аналогично примеру 1 со следующим существенным отличием: в садку установили 2 тигля, один из которых заполнили кусочками кремния, а другой - порошком кремния.The part was made analogously to example 1 with the following significant difference: 2 crucibles were installed in the cage, one of which was filled with pieces of silicon, and the other with silicon powder.

В результате получили деталь из УККМ с еще более высокой чистотой поверхности.The result was a part from UKKM with an even higher surface finish.

Пример 3Example 3

Деталь изготавливали аналогично примеру 2 со следующим существенным отличием: нагрев с 1400 до 1700°C производили со скоростью 350 град/час.The part was made analogously to example 2 with the following significant difference: heating from 1400 to 1700 ° C was carried out at a speed of 350 deg / h.

В результате получили деталь из УККМ с еще более высокой чистотой поверхности, чем в примерах 1 и 2.The result was a part from UKKM with an even higher surface finish than in examples 1 and 2.

Пример 4Example 4

Деталь изготавливали аналогично примеру 2 со следующим существенным отличием: силицирование производили в насыщенных парах кремния, для чего заготовку устанавливали в квазизамкнутый объем реторты. В результате получили деталь из УККМ с еще более высокой чистотой поверхности, чем в примерах 1-3.The detail was made analogously to example 2 with the following significant difference: silicification was performed in saturated silicon vapors, for which the preform was placed in a quasiclosed volume of the retort. The result was a part from UKKM with an even higher surface finish than in examples 1-3.

Остальные примеры изготовления изделий из УККМ предлагаемым способов приведены в табл.1, где примеры 1-10 соответствуют заявляемым пределам, а примеры 11-13 - запредельным значениям.Other examples of the manufacture of products from UKKM of the proposed methods are given in table 1, where examples 1-10 correspond to the claimed limits, and examples 11-13 to transcendental values.

Здесь же приведены примеры изготовления изделий из УККМ с применением способа-прототипа (примеры 14, 15).Here are examples of the manufacture of products from UKKM using the prototype method (examples 14, 15).

Как видно из таблицы, изготовление изделий из УККМ, в том числе крупногабаритных (пример 9), в соответствии с предлагаемым способом и заявляемыми пределами позволяет получить УККМ с высокими значениями содержания кремния, с высоким уровнем ФМХ при отсутствии наростов на их поверхности.As can be seen from the table, the manufacture of products from UKKM, including large ones (example 9), in accordance with the proposed method and the claimed limits allows us to obtain UKKM with high values of silicon content, with a high level of FMX in the absence of growths on their surface.

При выходе за заявляемые пределы предлагаемого способа поверхность изделия в том или ином количестве имеет наросты а также недостаточно высокое содержание кремния для указанного типа материала (примеры 11-13).When going beyond the claimed limits of the proposed method, the surface of the product in one or another quantity has outgrowths and also the silicon content is not high enough for the specified type of material (examples 11-13).

При изготовлении изделий из УККМ в соответствии со способом-прототипом (пример 15) получают изделие без наростов, но только в том случае, если нагрев с 1300 до 1700°C производится с высокой скоростью (≥600 град/час), что ведет к усложнению способа.In the manufacture of products from UKKM in accordance with the prototype method (example 15), the product is obtained without growths, but only if heating from 1300 to 1700 ° C is performed at a high speed (≥600 deg / h), which leads to complication way.

В противном случае, а именно: при сравнительно низкой скорости нагрева (например, при 350 град/час), получают изделие с наростами на поверхности, а УККМ имеет низкое содержание кремния (см. пример 14).Otherwise, namely: at a relatively low heating rate (for example, at 350 deg / h), a product with growths on the surface is obtained, and the CCM has a low silicon content (see example 14).

Figure 00000006
Figure 00000006

Claims (3)

1. Способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала (УККМ), включающий изготовление заготовки из пористого углеграфитового материала, формирование на ней шликерного покрытия на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего с последующим силицированием путем нагрева заготовки в вакууме до температуры 1800°C, выдержки в течение 1-2 ч при 1800-1850°C и охлаждения, отличающийся тем, что шликерное покрытие выполняют комбинированным с внутренним слоем на основе композиции из порошка нитрида кремния и некоксообразующего полимерного связующего и наружным - на основе композиции из смеси порошков карбида кремния и кварца, взятых в соотношении 1:(2-3), и жидкого стекла или силоксанового связующего, или коллоидного раствора кремнезема в воде; при этом силицирование проводят в парах кремния при давлении в реакторе не более 35 мм рт.ст., для чего в садку дополнительно устанавливают тигли с кремнием.1. A method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material (UKKM), including the manufacture of a workpiece from porous carbon-graphite material, forming a slip coating on it based on a composition of a siliconizing agent and a temporary binder, followed by silicification by heating the workpiece in vacuum to a temperature of 1800 ° C, holding for 1-2 hours at 1800-1850 ° C and cooling, characterized in that the slip coating is combined with the inner layer based on a composition of silicon nitride powder and non-coke -forming polymeric binder and the outer - based on the composition of a mixture of silicon carbide and quartz powder, in a ratio of 1: (2-3), and waterglass or siloxane binder solution or colloidal silica in water; while siliconization is carried out in silicon vapor at a pressure in the reactor of not more than 35 mm Hg, for which crucibles with silicon are additionally installed in the cage. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере часть тиглей заполняют порошком кремния.2. The method according to claim 1, characterized in that at least part of the crucibles is filled with silicon powder. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев в интервале 1400-1700°C проводят со скоростью не менее 300-350 град/ч. 3. The method according to claim 1, characterized in that the heating in the range of 1400-1700 ° C is carried out at a speed of at least 300-350 deg / h.
RU2012104671/05A 2012-02-09 2012-02-09 Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material RU2494962C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012104671/05A RU2494962C1 (en) 2012-02-09 2012-02-09 Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012104671/05A RU2494962C1 (en) 2012-02-09 2012-02-09 Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012104671A RU2012104671A (en) 2013-08-20
RU2494962C1 true RU2494962C1 (en) 2013-10-10

Family

ID=49162471

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012104671/05A RU2494962C1 (en) 2012-02-09 2012-02-09 Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2494962C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2006493C1 (en) * 1992-08-14 1994-01-30 Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов Method of treatment of porous articles
RU2031176C1 (en) * 1986-09-17 1995-03-20 Ланксид Текнолоджи Компани, ЛП Method of production of composite ceramic material
RU2091352C1 (en) * 1996-02-29 1997-09-27 Акционерное общество закрытого типа "Диагностика аварийных ситуаций" Refractory material for making refractory articles and a method of production the refractory material for refractory article making
RU2194682C2 (en) * 2001-01-09 2002-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" Method of manufacturing thin-wall products from silicicated carbon composite
RU2197450C1 (en) * 2001-08-01 2003-01-27 Владимиров Владимир Сергеевич Method of porous refractory material production
US6695984B1 (en) * 1998-08-07 2004-02-24 Bridgestone Corporation Silicon carbide sinter and process for producing the same
US20050051394A1 (en) * 2002-12-03 2005-03-10 Dai Huang Manufacture of carbon/carbon composites by hot pressing

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2031176C1 (en) * 1986-09-17 1995-03-20 Ланксид Текнолоджи Компани, ЛП Method of production of composite ceramic material
RU2006493C1 (en) * 1992-08-14 1994-01-30 Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов Method of treatment of porous articles
RU2091352C1 (en) * 1996-02-29 1997-09-27 Акционерное общество закрытого типа "Диагностика аварийных ситуаций" Refractory material for making refractory articles and a method of production the refractory material for refractory article making
US6695984B1 (en) * 1998-08-07 2004-02-24 Bridgestone Corporation Silicon carbide sinter and process for producing the same
RU2194682C2 (en) * 2001-01-09 2002-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" Method of manufacturing thin-wall products from silicicated carbon composite
RU2197450C1 (en) * 2001-08-01 2003-01-27 Владимиров Владимир Сергеевич Method of porous refractory material production
US20050051394A1 (en) * 2002-12-03 2005-03-10 Dai Huang Manufacture of carbon/carbon composites by hot pressing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТАРАБАНОВ А.С., КОСТИКОВ В.И. Силицированный графит. - М.: Металлургия, 1977, с.166, 167. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012104671A (en) 2013-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2084425C1 (en) Method of manufacturing articles from carbon-silicon carbide composite material and carbon-silicon carbide composite material
US8168116B2 (en) Method for producing an object at least partly with a silicon carbide structure from a blank of a carbon-containing material
US9388087B2 (en) Glass ceramics based antioxidants for the oxidation protection of carbon-carbon composites
RU2486163C2 (en) Method of making articles from ceramic-matrix composite material
Luo et al. Oxidation behavior and protection of carbon/carbon composites prepared using rapid directional diffused CVI techniques
RU2480433C2 (en) Method of making airgtight articles from carbon-silicon carbide material
RU2351572C2 (en) Method for manufacture of products from carbon-ceramic composite material
RU2531503C1 (en) Method of manufacturing products from composite material
RU2458889C1 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
RU2494962C1 (en) Method of manufacturing products from carbon-carbide-silicon material
Vijayan et al. Low‐density open cellular silicon carbide foams from sucrose and silicon powder
RU2470857C1 (en) Method of making parts from carbon-carbide-silicon material
RU2494043C1 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
RU2559248C1 (en) Method of manufacturing of tight items out of carbon-silicon carbide composite material
Xu et al. Comparison of oxidation resistance behavior between Y3+ and Zr4+ modified aluminum phosphate impregnated graphite
RU2716323C1 (en) Method of protecting carbon-containing composite materials of large-size articles from oxidation
RU2497778C1 (en) Method of producing articles from carbon-siliconcarbide material
RU2460707C1 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
Bondioli et al. Oxidation behavior of LPS-SiC ceramics sintered with AlN/Y2O3 as additive
SG175974A1 (en) Glue and coating for refractory materials and ceramics
RU2464250C1 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
RU2494042C1 (en) Method of making articles from carbon-silicon carbide material
RU2539467C2 (en) Method of producing protective coatings on articles made of carbon-containing materials
RU2570076C1 (en) Method to manufacture items from composite material with carbon-ceramic matrix
RU2494998C2 (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: 20200210