RU2788686C1 - Композиция для высокотемпературной керамики и способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена - Google Patents

Композиция для высокотемпературной керамики и способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена Download PDF

Info

Publication number
RU2788686C1
RU2788686C1 RU2021132723A RU2021132723A RU2788686C1 RU 2788686 C1 RU2788686 C1 RU 2788686C1 RU 2021132723 A RU2021132723 A RU 2021132723A RU 2021132723 A RU2021132723 A RU 2021132723A RU 2788686 C1 RU2788686 C1 RU 2788686C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
molybdenum
powder
silicon carbide
composition
production
Prior art date
Application number
RU2021132723A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Владимирович Каледин
Сергей Леонидович Шикунов
Ирина Алексеевна Шикунова
Владимир Николаевич Курлов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2788686C1 publication Critical patent/RU2788686C1/ru

Links

Images

Abstract

Группа изобретений относится к области получения керамических материалов на основе карбида кремния (SiC) и силицида молибдена, которые могут использоваться при получении изделий повышенной термостойкости, при изготовлении деталей турбин, авиационных двигателей, фрикционных элементов, инструментов и других деталей. В состав композиции для высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена входят порошок графита с размерами частиц менее 150 мкм в количестве от 60 до 75 масс. % и порошок молибдена с размерами частиц менее 150 мкм в количестве от 5 до 20 масс. %, органическое связующее в количестве 20 масс. %. Часть порошка графита до 20 масс. % может иметь размер частиц более 150 мкм. Способ получения высокотемпературной керамики из данной композиции включает изготовление углеродной заготовки путем смешения измельченного искусственного графита и органического связующего с добавлением в смесь порошка молибдена, ее формование и/или прессование при давлении 50 кг/см2, пиролиз в инертной среде, термообработку, механическую обработку до формы готового изделия и пропитку расплавом кремния в вакуумной печи. Применение данной группы изобретений позволяет увеличить глубину реакции образования карбида и дисилицида молибдена в процессе синтеза материала MoSi2/SiC, улучшить однородность материала, увеличить размеры получаемых изделий. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Description

Композиция для высокотемпературной керамики и способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена
Заявляемое изобретение относится к области получения керамических материалов на основе карбида кремния (SiC) и силицидов тугоплавких металлов и может быть использовано при получении изделий повышенной термостойкости для применения в качестве конструкционных материалов при изготовлении деталей турбин, авиационных двигателей, фрикционных элементов, инструмента и др. деталей, испытывающих повышенные нагрузки при работе в агрессивных средах и при высоких температурах в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, химической, металлургической, промышленностях, ВПК.
Известны высокотемпературные композиционные материалы, где в качестве керамической составляющей используются карбид кремния и силициды тугоплавких металлов [Patent US 5990025 “Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same” publ. 23.11.1999]. Применение силицидов тугоплавких металлов позволяет сохранить прочность (сопротивление ползучести), стойкость к окислению и воздействию агрессивных сред карбидокремниевой керамики при высоких температурах (более 1400°С).
Известная композиция для получения MoSi2/SiC керамики (аналог) включает порошки первичного карбида кремния и порошок молибдена и связующее, где образование дисилицида молибдена и связывание частиц карбида кремния получается в результате силицирования скомпактированной из композиции заготовки [Patent CN 106116584 “Method for preparing silicon carbide/molybdenum disilicide composite ceramic through reaction sintering” publ. 14.05.14]. Недостатком композиций является высокая энергозатратность производства компонентов композиции в виде тонких абразивных порошков, относительно низкая связность карбидокремниевой матрицы в получаемом из нее материале.
Известен материал, где связный каркас из карбида кремния, доля которого составляет от 45 до 95%, содержит участки углерода и кремния. Композиция для получения данного материала не содержит порошков первичного карбида кремния, а только порошки углерода различной фракции и определенной пропорции и органическое связующее (прототип) [Патент РФ 2573146 «Композиция углеродной заготовки для получения SiC/C/Si керамики и способ получения SiC/C/Si изделий» от 17.12.2015.]. При этом карбид кремния образуется в результате реакции жидкого кремния с пористым углеродным каркасом. Недостатком материала является его низкое сопротивление ползучести при высоких температурах, хрупкость при сохранении достаточно высоких механических характеристик.
Задачей изобретения является получение керамического композита со связным SiC каркасом и интегрированным в него дисилицидом молибдена в заданной пропорции, имеющего повышенную прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах и нагрузках.
Технический результат состоит в повышении механических характеристик высокотемпературных керамических материалов на основе карбида кремния и дисилицида молибдена, упрощении подготовительных операций, процесса изготовления и уменьшении энергозатрат производства.
Технический результат достигается за счет того, что композиция для высокотемпературной керамики, в состав которой входят углерод и органическое связующее, в качестве углерода используют измельченный искусственный графит плотностью от 1,7 до 1,85 г/см3 с размерами частиц менее 150 мкм, остальное -органическое связующее, имеет также в своем составе порошок молибдена с размером частиц менее 50 мкм при следующем соотношении компонентов, масс.%:
порошок графита с размерами частиц менее 150 мкм 60-75
порошок молибдена с размерами частиц менее 150 мкм 5-20
связующее 20
Также технический результат достигается за счет того, что композиция для высокотемпературной керамики также содержит порошок графита той же плотности с размерами частиц более 150 мкм, порошок молибдена с размером частиц менее 150 мкм при этом отношение компонентов следующее, масс. %:
порошок графита с размерами частиц менее 150 мкм 40-55
порошок графита с размерами частиц более 150 мкм 20
порошок молибдена с размерами частиц менее 150 мкм 5-20
связующее 20
Введение металла в композицию в виде порошка позволяет на этапе получения материала однородно распределить металлический порошок в объеме углеродной заготовки. При пропитке расплавом кремния, система открытых пор углеродной заготовки обеспечивает полноценный доступ расплава в весь объем заготовки, металлический порошок также реагирует с расплавом кремния с образованием силицида. В результате силицирования образуется связный карбидокремниевый каркас с равномерно распределенным в его объеме силицидом тугоплавкого металла. Так как углеродная заготовка с частицами металла обладает достаточной механической прочностью, то до силицирования она может быть подвержена механической обработке, в том числе, с получением заготовки изделия сложной формы с точностью до 200 мкм (обусловлена размером зерна применяемых сырьевых компонентов). После силицирования такая заготовка потребует минимальной финишной обработки до получения готового керамического изделия.
Введение в композицию фракции порошка углерода с размерами частиц более 150 мкм позволяет получить керамический материал с повышенным содержанием непрореагировавшего углерода, обладающий меньшей плотность, повышенной устойчивостью к термоударным нагрузкам. Также такой материал может применяться для изготовления подшипников скольжения и пар трения торцовых уплотнений, т.к. повышенное содержание углерода обеспечит низкий коэффициент трения и момент страгивания.
Помимо молибдена, в качестве тугоплавкого металла, добавляемого в композицию могут быть использованы такие материалы, как вольфрам или ниобий, что позволяет получать различные карбидокремниевые материалы, чьи высокотемпературные прочностные характеристики улучшаются за счет высокого сопротивления ползучести силицидов данных металлов (WSi2, NbSi2) при высоких температурах, при этом содержание остаточного кремния близко к нулю.
Распространенным способом изготовления деталей из металлокерамики является порошковая металлургия - прессование заготовок из порошков с последующим спеканием в восстановительной или нейтральной атмосфере. Недостатком способа является высокая стоимость производства (затраты) исходных компонентов. Так известен способ, при котором порошки молибдена, кремния и углерода, взятые в пропорции, приводящей к заданному объемному содержанию конечных фаз (SiC и MoSi2) перемешиваются и подвергаются нагреву с одновременным приложением давления. В результате реакций в данных условиях получается монолитный материал [US5887241 (А) - 1999-03-23 Method of manufacture of low O2 content MoSi2/SiC composite bodies]. Недостатком способа является сложность применяемого оборудования, оснастки и ограниченные возможности по получению изделий больших размеров и сложной формы.
Известен также способ реактивного получения SiC/MoSi2 композита, когда пропитывают углеродные пористые заготовки расплавом сплава кремния и молибдена [Messner et al., J. Am. Ceram. Soc, vol. 73, No. 5, "Liquid Phase Reaction Bonding of Silicon Carbide Using Alloyed Mo-Si Melts." pp. 1193-1200 (1990)]. Оттесненный в процессе реакции образования карбида кремния молибден образует дисилицид молибдена, при этом задействуется весь остаточный кремний. Таким образом, улучшаются механические характеристики материала. Существенным преимуществом способа по сравнению с горячим прессованием является пониженная температура синтеза материала, не превышающая 1600°С. Недостатками способа являются неравномерность пропитки и ограничение по толщине изделий, сложность получения расплава кремния и молибдена, ограниченность возможных соотношений карбида кремния и силицида в результирующем материале.
Известным способом получения керамических материалов на основе карбида кремния является пропитка расплавом кремния углеродных заготовок определенной пористости, получаемой подбором размера зерна, условий прессования [Курлов В.Н., Шикунов С.Л., Шикунова И.А. «Композиция углеродной заготовки для получения SiC/C/Si керамики и способ получения SiC/C/Si изделий». Патент РФ на изобретение №2573146 от 17.12.2015.]. В способе, на этапе замешивания шихты в состав заготовки могут вводится добавки, влияющие на пористость материала и, как следствие, на фазовый состав результирующего SiC/C/Si материала.
Технический результат данной группы изобретений состоит в увеличении глубины реакции образования карбида и дисилицида молибдена в процессе синтеза материала Mo2Si/SiC, увеличение однородности материала, увеличении размеров изделий из данной керамики.
Технический результат достигается за счет того, что способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида, включает изготовление углеродной заготовки путем смешения измельченного искусственного графита и органического связующего, ее формование и/или прессование, пиролиз в инертной среде, термообработку, механическую обработку до формы готового изделия и пропитку расплавом кремния в вакуумной печи; на этапе смешения графита и органического связующего в смесь добавляется порошок молибдена, прессование осуществляют при давлении 50 кг/см2.
Введение порошка молибдена на этапе смешения композиции с органическим связующим позволяет получить однородное распределение компонент в заготовке и, соответственно, гомогенность материала после силицирования. Применение при прессовании относительно низкого давления позволяет уменьшить разноплотность заготовки, что особенно важно для крупногабаритных заготовок.
Изобретение поясняется рисунками и примерами реализации. Фиг. 1. Микроструктура высокотемпературного материала на основе карбида кремния и дисилицида молибдена при различном содержании молибдена в композиции заготовки: а) Мо 5% масс, размер частиц углерода - менее 150 мкм, б) Мо 15% масс, размер частиц углерода менее 150 мкм с добавлением порошка углерода с размером частиц более 150 мкм.
Фиг. 2 Микроструктура высокотемпературного материала на основе карбида кремния и дисилицида вольфрама SiC/WSi2 (W - 10% масс.)
Фиг. 3 Микроструктура высокотемпературного материала на основе карбида кремния и дисилицида ниобия SiC/NbSi2 (Nb - 5% масс.)
Пример. Микроструктура высокотемпературного материала на основе карбида кремния и дисилицида молибдена
В соответствии с предложенной группой изобретений изготовлены образцы карбидокремниевой керамики с дисилицидом молибдена. Углеродные порошки требуемого фракционного состава получали путем помола отходов искусственного графита, средней плотностью 1,73 г/см3. В качестве коксообразующего связующего использовался пульвербаркелит (ПБ) марки СФП-011Л по ТУ 2257-111-05015227-2006. В качестве порошка молибдена использовался порошок, полученный восстановлением молибдена из окисла (МоО3), с размером частиц менее 150 мкм. Масса порошка молибдена, необходимого для приготовления смеси бралась в соответствии с Таблицей 1, где показаны массовые доли компонентов из расчета получения 1 кг шихты с заданным процентным содержанием исходного металла.
Figure 00000001
Углеродные порошки после взвешивания соединялись и перемешивались на смесителе типа «пьяная бочка» в течение 60 минут. Далее добавляли коксообразующее связующее и порошок молибдена количестве 5, 10, 15 и 20 масс. % и продолжали перемешивание в течение 60 минут.
Промежуточные заготовки получали прессованием массы на гидравлическом прессе в пресс форму диаметром 60 мм при давлении 50 кг/см2. Затем заготовки подвергались пиролизу в защитной атмосфере при температуре 900°С в течение 8 часов. Объемная усадка заготовок после пиролиза составила от 6,3 до 7,6% для количества металлического порошка от 5 до 20 масс. % соответственно. При увеличении количества вводимых металлических порошков плотность углеродных заготовок увеличивается от 1,21 до 1,44 г/см3. Основные характеристики металлосодержащих углеродных заготовок приведены в Таблице 2.
Таблица 2.
Figure 00000002
Далее полученные заготовки разрезались на полукруглые сектора высотой 12 мм и подвергались силицированию. Пропитку всех полученных заготовок расплавом кремния производили в высокотемпературной вакуумной печи при температуре 1650°С в течение 20 минут.Далее печь охлаждали и разгружали. В результате пропитки расплавом кремния углеродных заготовок получены материалы на основе карбидокремниевой керамики и дисилицида молибдена плотностью от 2,81 г/см3 для наименьшего содержания молибдена в пористой заготовке до 3,08 г/см3 для углеродной заготовки с содержанием молибдена 20% масс.Для силицированных образцов определялись плотность и фазовый состав, которые приведены в таблице 2.
При повышении массовой доли молибдена в композиции углеродных заготовок наблюдали пропорциональное уменьшение содержания остаточного кремния в керамике и соответственное увеличение содержания дисилицида молибдена. При использовании в смеси графитовых порошков фракции размером более 150 мкм в результирующем материале повышается содержание остаточного углерода (Фиг. 1).
По способу изобретения были получены керамические материалы на основе карбида кремния с дисилицида вольфрама с массовой долей металла в композиции 10 процентов (Фиг. 2), а также карбида кремния и дисилицида ниобия с массовой долей металла в композиции 5 процентов (Фиг. 3). Образцы имеют однородную структуру во всем объеме материала. Образование силицидов тугоплавких металлов непрерывно и равномерно распределенных в объеме карбидокремниевой керамики позволяет сохранить прочность материалов полученных по данной группе изобретений, при эксплуатации в условиях повышенных температур.

Claims (5)

1. Композиция для высокотемпературной керамики, в состав которой входят углерод и коксообразующее связующее, в качестве углерода используют измельченный искусственный графит плотностью от 1,7 до 1,85 г/см3, отличающаяся тем, что в состав дополнительно входит порошок молибдена с размером частиц менее 150 мкм при следующем соотношении компонентов, масс. %:
порошок графита с размерами частиц менее 150 мкм 60-75 порошок молибдена с размерами частиц менее 150 мкм 5-20 связующее 20
или
порошок графита с размерами частиц менее 150 мкм 40-55 порошок графита с размерами частиц более 150 мкм 20 порошок молибдена с размерами частиц менее 150 мкм 5-20 связующее 20
2. Способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена из композиции по п. 1, включающий изготовление углеродной заготовки путем смешения измельченного искусственного графита и коксообразующего связующего, ее прессование, пиролиз в инертной среде, механическую обработку до формы готового изделия и пропитку расплавом кремния в вакуумной печи, отличающийся тем, что на этапе смешения графита и связующего в смесь добавляют порошок молибдена, а прессование осуществляют при давлении 50 кг/см2.
RU2021132723A 2021-11-08 Композиция для высокотемпературной керамики и способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена RU2788686C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788686C1 true RU2788686C1 (ru) 2023-01-24

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812905C1 (ru) * 2023-06-06 2024-02-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) Высокотемпературный реакционносвязанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов и способ его получения

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1023155A (en) * 1962-06-25 1966-03-23 Aktibolaget Kanthal Improvements in or relating to heat resistant and oxidation-proof bodies containing silicon carbide and molybdenum silicide
US5509555A (en) * 1994-06-03 1996-04-23 Massachusetts Institute Of Technology Method for producing an article by pressureless reactive infiltration
RU2160790C2 (ru) * 1998-07-07 2000-12-20 Институт физики твердого тела РАН Композиционный жаропрочный и жаростойкий материал
RU2573146C1 (ru) * 2014-12-24 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) КОМПОЗИЦИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si КЕРАМИКИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si ИЗДЕЛИЙ
US20200377417A1 (en) * 2017-12-22 2020-12-03 Safran Ceramics Method for producing a composite part containing a ceramic matrix

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1023155A (en) * 1962-06-25 1966-03-23 Aktibolaget Kanthal Improvements in or relating to heat resistant and oxidation-proof bodies containing silicon carbide and molybdenum silicide
US5509555A (en) * 1994-06-03 1996-04-23 Massachusetts Institute Of Technology Method for producing an article by pressureless reactive infiltration
RU2160790C2 (ru) * 1998-07-07 2000-12-20 Институт физики твердого тела РАН Композиционный жаропрочный и жаростойкий материал
RU2573146C1 (ru) * 2014-12-24 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) КОМПОЗИЦИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si КЕРАМИКИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si ИЗДЕЛИЙ
US20200377417A1 (en) * 2017-12-22 2020-12-03 Safran Ceramics Method for producing a composite part containing a ceramic matrix

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812905C1 (ru) * 2023-06-06 2024-02-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) Высокотемпературный реакционносвязанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов и способ его получения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. The effect of porous carbon preform and the infiltration process on the properties of reaction-formed SiC
Wang et al. Densification behavior and properties of hot-pressed ZrC ceramics with Zr and graphite additives
AU2010279557B2 (en) Tough coated hard particles consolidated in a tough matrix material
US3725015A (en) Process for forming high density refractory shapes and the products resulting therefrom
JPS5924751B2 (ja) 焼結成形体
GB2093481A (en) Sintered high density refractory compositions
IL134576A (en) A method of producing abrasive grains and abrasive grains produced by this method
Chen et al. Multilayer graphene and β-Si3N4 whisker-reinforced porous Si3N4 ceramics by spark plasma incomplete sintering
Cygan et al. Thermal stability and coefficient of friction of the diamond composites with the titanium compound bonding phase
RU2788686C1 (ru) Композиция для высокотемпературной керамики и способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена
JPS6242878B2 (ru)
Zhong et al. In situ synthesis of polycrystalline cubic boron nitride reinforced by different morphologic TiB 2
JP6615108B2 (ja) 高温耐酸化性のレアメタルフリー硬質焼結体およびその製造方法
Rabin Modified tape casting method for ceramic joining: application to joining of silicon carbide
Scholl et al. Fabrication of silicide materials and their composites by reaction sintering
US5145504A (en) Boron carbide-copper cermets and method for making same
Wilhelm et al. Influence of resin content and compaction pressure on the mechanical properties of SiC–Si composites with sub-micron SiC microstructures
Sun et al. Synthesis and consolidation of ternary compound Ti3SiC2 from green compact of mixed powders
US5227345A (en) Powder mixtures including ceramics and metal compounds
CN110512132B (zh) 一种表层wc为长棒状晶粒且无立方相的梯度硬质合金及其制备方法
RU2730092C1 (ru) Композиция с углеродными нанотрубками для получения углеродной заготовки для высокоплотной SiC/C/Si керамики и способ получения изделий из SiC/C/Si керамики
Fu et al. Processing, microstructures, and properties of molybdenum aluminosilicide
US3110590A (en) Compositions of molybdenum, nitrogen and silicon and shaped objects therefrom
Pietrzak et al. Sintering AL2O3-CR composites made from micro-and Nan powders
Belyaev et al. Preparation and Properties of Ceramics Based on Tantalum Caride Modified by SiO Gas