RU2813271C1 - Способ получения конструкционной керамики на основе тугоплавких карбидов для изделий сложной геометрии - Google Patents
Способ получения конструкционной керамики на основе тугоплавких карбидов для изделий сложной геометрии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813271C1 RU2813271C1 RU2023103215A RU2023103215A RU2813271C1 RU 2813271 C1 RU2813271 C1 RU 2813271C1 RU 2023103215 A RU2023103215 A RU 2023103215A RU 2023103215 A RU2023103215 A RU 2023103215A RU 2813271 C1 RU2813271 C1 RU 2813271C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- ceramic
- plasticizer
- cladding
- workpiece
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 title claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims abstract description 24
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 18
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims abstract description 11
- 235000019809 paraffin wax Nutrition 0.000 claims abstract description 7
- 235000019271 petrolatum Nutrition 0.000 claims abstract description 7
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 16
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 16
- 238000007569 slipcasting Methods 0.000 claims description 14
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 239000010942 ceramic carbide Substances 0.000 claims description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 10
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000005266 casting Methods 0.000 abstract description 8
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 abstract description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005475 siliconizing Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области создания конструкционных керамических материалов на основе тугоплавких карбидов для изготовления жаростойких изделий сложной геометрии, которые могут быть использованы в машиностроении, морской и авиационной технике. Керамический порошок на основе тугоплавких карбидов подвергают плакированию 5-7 мас.% углеродсодержащего компонента с использованием перемешивания в вибрационном истирателе в течение 15-30 минут. Для плакирования используют механическую смесь крупных 40-60 мкм и мелких 3-10 мкм карбидных частиц, инертных к кремнию и карбиду кремния при реакционном спекании, в соотношении 3/1 по массе. В композиционный керамический порошок при температуре 70-90°С вводится пластификатор на основе парафиново-восковой композиции в количестве 15-20 мас.%. Горячий шликер подвергают вакуумированию с перемешиванием в течение 0,5-1 часа. Из водорастворимого пластика аддитивным способом с применением FDM-печати изготавливается пустотелая модель литьевой формы с толщиной стенки 400-600 мкм. Осуществляется горячее литье шликера в растворимую литьевую форму под давлением порядка 3-5 бар. Керамическую заготовку извлекают путем растворения литьевой формы в водной среде, сушат, удаляют пластификатор и спекают в присутствии высокочистого кремния при температуре 1500-1600°С в течение 10-20 минут. Технический результат – получение тонкостенных изделий высокопрочных сложной геометрии с толщиной стенки не более 1 мм с фазовой однородностью и стабильностью до температур 1200°С при работе в вакууме. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 ил.
Description
Изобретение относится к области создания конструкционных керамических материалов на основе тугоплавких карбидов для изготовления изделий сложной геометрической формы, обладающих жаростойкостью. Изобретение может быть использовано в машиностроении, морской и авиационной технике.
Известны жаростойкие керамические материалы, спекание которых сопровождается химически реакционными процессами. В частности, наиболее характерным является метод силицирования карбидокремниевых керамик, согласно патенту №2670819 С1 С04В 35/573 С04В 35/65. Изобретение относится к области конструкционных материалов, а именно к способам изготовления высокотемпературных, износостойких и коррозионностойких изделий из реакционно-спеченного композиционного материала на основе карбида кремния, и может быть использовано в ряде отраслей промышленности, в том числе авиационной. Сущность изобретения состоит в формовании заготовки на основе композиции, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и временного связующего, обжиге сформованной заготовки при температуре, обеспечивающей полное удаление летучих продуктов из временного связующего, и силицировании заготовки парожидкофазным методом в вакууме в парах кремния при массопереносе кремния в поры материала путем капиллярной конденсации паров. Мелкодисперсный наполнитель представляет собой смесь инертного к кремнию при технологических параметрах процесса силицирования соединения и активного по отношению к нему элемента или соединения, образующих с кремнием тугоплавкие карбиды и/или силициды и/или тройные соединения, причем размер частиц активного и пассивного элементов берут в соотношении не менее чем 1:5 при неизменном их гранулометрическом составе. Размер частиц инертного к кремнию соединения не превышает 25 мкм. Силицирование осуществляют при конечной температуре 1300-1400°С.
К недостаткам данного способа следует отнести применение трудоемкой механической обработки высокотвердого материала для получения изделия сложной геометрии.
Оптимизация процесса силицирования карбидокремниевой жаростойкой керамики представлена изобретением, согласно патенту №2730092 C1 С04В 35/573 С04В 35/65 B82Y 40/00. Технический результат состоит в увеличении глубины силицирования углеродных заготовок, увеличении размеров изделий из силицированых графитов, повышении плотности силицированных графитов, увеличении содержания в них карбидокремниевой фазы. Композиция для получения углеродных заготовок состоит из углерода и органического связующего, в качестве углерода используют измельченный искусственный графит плотностью от 1,7 до 1,85 г/см3 и углеродные нанотрубки, взятые в количественном отношении (мас. %): углеродные нанотрубки - от 1 до 10; смесь графитовых порошков с размерами частиц 63-100 мкм - от 0 до 40 и с размерами частиц 100-135 мкм - от 85 до 45, органическое связующее - 15. Для изготовления углеродной заготовки смешивают измельченные графитовые порошки и органическое связующее с углеродными нанотрубками с последующим формованием и/или прессованием при давлении 50-80 кг/см2. Проводят пиролиз заготовки в инертной среде, механическую обработку до формы готового изделия и пропитку расплавом кремния в вакуумной печи.
К недостаткам данного способа следует отнести возможность образования дефектов (расслоений и трещин, вырыва зерен) при механической обработке хрупкой заготовки, предназначенной под силицирование. Также не приводятся данные об однородности распределения углеродсодержащего компонента в объеме заготовки после пиролиза.
Известно, что зачастую специалисты в области керамического материаловедения для изготовления изделий сложной геометрии применяют метод горячего шликерного литья, что, в частности, описывается в работе А.Г. Добровольского («Шликерное литье», Москва, Металлургия, 1977, С. 7), при этом для литья могут применяться пластмассовые литьевые формы. В патенте RU 2745944 отмечается, что пластмассовые формы для горячего шликерного литья керамик могут быть изготовлены с применением аддитивной технологии. Однако у представленных способов следует выделить такой недостаток, как высокая адгезия шликера к пластмассе из-за ее низкой теплопроводности. Данное обстоятельство приводит к возникновению поверхностных дефектов в керамической заготовке при разборке литьевой формы, что не позволяет осуществлять отливку малогабаритных и тонкостенных керамических изделий. При использовании металлических литьевых форм требуется проектирование сложной разборной оснастки с последующей трудоемкой механической обработкой.
В качестве прототипа выбран способ получения конструкционного керамического материала на основе карбида кремния для изделий сложной геометрии, патент №RU 2739774. Способ включает перемешивание порошковых композиционных материалов на основе карбида кремния, плакирование высокотвердых частиц керамического порошка углеродным компонентом, пластифицирование композиционного порошка органической связкой и гранулирование, прессование заготовки под давлением 100-130 МПа, механическую обработку заготовки до изделия сложной геометрической формы, спекание безусадочного изделия в высокотемпературной вакуумной печи с проведением химической реакции силицирования.
Недостатки данного способа заключаются в том, что:
- метод предполагает трудоемкий (медленный) процесс механической обработки хрупкой керамической заготовки;
- метод исключает формирование тонкостенных конструкционных элементов, например, спиральных лопастей или сегментов колесных механизмов, из-за ограничений подвода обрабатывающего инструмента к керамической заготовке при ее позиционировании;
- механическое воздействие на керамическую заготовку может приводить к поверхностным дефектам и не обеспечивает высокую точность задаваемой геометрии из-за абразивного вырыва и уноса непластичных керамических частиц в зоне обработки;
- отсутствуют данные по высокотемпературной прочности прессованных спеченных керамик;
- метод представлен только для материалов на основе карбида кремния без включения иных тугоплавких композиций.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа получения конструкционной керамики на основе тугоплавких карбидов для изделий сложной геометрии.
Технический результат достигается тем, что осуществляют перемешивание керамических карбидных порошковых материалов, инертных к кремнию и карбиду кремния при реакционном спекании, с дальнейшим плакированием углеродным компонентом и введением временного пластификатора, формование заготовки, удаление пластификатора, проведение реакционного спекания заготовки с силицированием, отличающийся тем, что плакирование карбидных частиц осуществляют 5-7 масс. % углеродного компонента, формование осуществляют, используя метод горячего шликерного литья в пустотелую литьевую форму, полученную FDM-печатью из водорастворимого пластика - поливинилового спирта (PVA-пластика) с последующим растворением литьевой формы в водной среде, при этом используют модели литьевой формы с толщиной внешней каркасной стенки 2-3 мм и сеточным октаэдрическим заполнением PVA-пластиком с толщиной стенки 400-600 мкм с процентным заполнением 30-40% об., а шликерное литье осуществляют под давлении 3-5 бар.
Экспериментально установлено, что оптимальные литейные свойства шликера обеспечиваются содержанием не более 5-7 масс. % углеродного компонента в составе керамического порошка, так как частицы углерода плохо смачиваются жидким органическим связующим, ухудшая его динамическую вязкость. В качестве углеродсодержащего компонента может использоваться порошок технической сажи или графита.
Выбор тугоплавких карбидных материалов и их композиций для осуществления горячего шликерного литья обосновывается их инертностью по отношению к кремнию и карбиду кремния при проведении реакционного спекания с химическим силицированием.
Плакирование карбидных частиц с использованием чашевого вибрационного истирателя при перемешивании 15-30 минут приводит к равномерному распределению углеродного компонента в объеме керамической заготовки после отливки шликера, что может обеспечивать фазовую стабильность керамики в результате реакционного спекания (образование вторичного карбида кремния из частиц углерода). При перемешивании менее 15 минут не происходит равномерного распределения углеродного компонента, а при перемешивании более 30 мин. порошок подвергается конгломерированию (комкованию). Избыточное или недостаточное перемешивание может привести к образованию агломератов углеродных частиц из-за их высокой поверхностной активности.
В качестве исходного порошкового сырья для плакирования используют механическую смесь крупных 40-60 мкм и мелких 3-10 мкм карбидных частиц в соотношении 3/1 по массе, что обеспечивает наиболее плотную упаковку в процессе литья, в том числе в тонкостенных отливаемых элементах.
В композиционный керамический порошок в жидком горячем состоянии вводится временный пластификатор на основе парафиново-восковой композиции в количестве 15-20 масс. %, что обеспечивает увеличение литейных свойств горячего шликера под давлением. При введении меньших количеств парафина шликер не обладает литейными свойствами, а при введении больших количеств парафина шликер обладает выраженной текучестью. Рабочая температура шликера составляет диапазон 70-90°С и определяется содержанием компонентов органических связующих и их соотношений. Данный диапазон температур находится выше температуры плавления парафина, при этом давление паров парафина является слабым для его активного испарения.
Для удаления воздушных прослоек горячий шликер подвергают вакуумированию с одновременным перемешиванием, в течение 0,5-1 часа.
Для осуществления горячего шликерного литья изготавливают обратные литьевые формы из водорастворимого пластика на основе поливинилового спирта, с использованием аддитивного метода FDM-печати. Известно, что растворение PVA-пластика в воде сопровождается медленным распуханием его объема, что может приводить к появлению критических напряжений в тонкостенных элементах отлитых керамических заготовок, наиболее явно трещинообразование проявляется при отливке шликером лопастей толщиной менее 3 мм. Для предотвращения указанного негативного фактора при аддитивном построении обратной литьевой формы используют пустотелую модель с октаэдрическим заполнением. Толщина стенки октаэдра составляет 400-600 мкм и длиной стороны 2-3 мм. Указанные параметры обеспечивают прочность литьевой формы к внешнему давлению проливаемого шликера в диапазоне 3-5 бар. При этом заполнение литьевой формы составляет 30-40% об. Экспериментально показано, что при уменьшении заполнения модели литьевой формы менее 30% об. не обеспечивается прочность формы к внешнему давлению шликера в диапазоне 3-5 бар, при увеличении заполнения модели литьевой формы свыше 40% об. продолжительность растворения PVA-пластика повышается в 1,3-1,5 раза, что приводит к существенному повышению трудоемкости процесса и повышает риск возникновения дефектов в отлитой керамической заготовке.
Жесткость и высокоточное задание геометрии поверхности модели литьевой формы обеспечивается аддитивным формированием внешней каркасной стенки толщиной 2-3 мм. При толщине стенки менее 2 мм наблюдается деформация пластика под давлением шликера в диапазоне 3-5 бар, увеличение толщины стенки более 3 мм повышает объемное заполнение и увеличивает продолжительность растворения PVA-пластика в 1,3-1,5 раза.
Далее шликер подвергается горячему литью в заданную геометрическую форму при задании давления 3-5 бар. При меньшем давлении подачи шликера заготовка после сушки имеет пористость более 1-2% об. При большем давлении подачи шликера существует риск образования дефектов в литьевой форме, выполненной из аддитивного PVA-пластика.
После растворения PVA-пластика керамические отлитые заготовки извлекают из водной среды, подвергают ступенчатой сушке для удаления временного пластификатора. Продолжительность сушки определяется размерами заготовки. Температура сушки соответствует температуре разложения органического связующего. Остатки пластификатора с поверхности заготовки удаляются механически.
Полученную заготовку обсыпают высокочистым кремнием в количестве 70-80 масс % от массы керамической заготовки. Спекание осуществляется в вакууме при температуре 1500-1600°С в течение 10-20 минут. Данный диапазон температуры спекания определяется температурой плавления кремния с учетом возможной погрешности истинной температуры в камере печи, а продолжительность спекания определяется реакционной способностью жидкого кремния. Реакция силицирования сопровождается формированием вторичного карбида кремния, который заполняет поры спекаемого материала. Избыток кремния убирается с поверхности изделия пескоструйной или механической обработкой.
Формируемые керамические изделия сложной геометрической формы, в том числе тонкостенные конструкционные элементы на основе тугоплавких карбидных композиций обладают относительной плотностью 0,99, твердостью 20-40 ГПа, пределом прочности на изгиб в окислительной (воздушной) среде при температуре 1200°С не менее 150 МПа, фазовой однородностью и стабильностью вплоть до температур 1200°С при работе в вакууме, усадкой не более 1% об.
Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования - соглашение №13.ЦКП.21.0014 (075-11-2021-068). Уникальный идентификационный номер - RF-2296.61321X0014.
Пример 1
В качестве исходного материала взято 70 г порошка карбида кремния со средним диаметром частиц 40 мкм и 30 г порошка карбида кремния со средним диаметром частиц 5 мкм. Плакирование механической смеси порошков технической сажей в количестве 5% масс. осуществлялось в чашевом вибрационном истирателе в течение 30 минут. В полученный композиционный порошок вводился жидкий парафиново-восковой пластификатор в количестве 17 масс. %. После вакуумирования с перемешиванием горячий шликер при температуре 70°С отливался в неразборные аддитивные обратные формы из водорастворимого пластика, формирующие изделия:
- тонкостенный волнообразный элемент с толщиной стенки 1 мм;
- стандартная прямоугольная балка 5×5×35 мм, контрольный образец для определения физико-химических характеристик.
Пустотелая модель литьевой формы из PVA-пластика для каждого изделия имела следующие параметры: процентное заполнение 30% об., толщина стенки каркаса 2 мм, сеточное октаэдрическое заполнение с толщиной стенки 500 мкм.
Шликерное литье осуществлялось при давлении 3,5 бар. Удаление (растворение) PVA-пластика в воде из отлитых керамических заготовок продолжалось в течение 48 часов. Полученные отлитые керамические заготовки подвергалась ступенчатой сушке в диапазоне 50-300°С до полного удаления парафино-воскового пластификатора.
Высушенные заготовки обсыпалась кусковым высокочистым кремнием (70 масс % от массы керамической заготовки) и подвергалась спеканию в вакууме при температуре 1550°С в течение 15 минут. Избыток кремния после спекания убирали с поверхности изделия пескоструйной обработкой.
На рисунке 1 показан общий вид изготовленного тонкостенного керамического изделия сложной геометрии с толщиной стенки 1 мм.
Исследование контрольного образца показывает, что полученный горячим шликерным литьем в высокоточные растворимые аддитивные формы керамический материал характеризуется следующими свойствами:
- микротвердость 31 ГПа:
- плотность 3,10 г/см3;
- предел прочности на изгиб в окислительной среде при температуре 1200°С порядка 180 МПа;
- фазовая стабильность в вакууме при температуре 1200°С;
- усадка после спекания не более 1% об.;
- возможность получения тонкостенного элемента с толщиной стенки порядка 1 мм.
Пример 2
В качестве исходного материала взято 70 г порошка карбида бора со средним диаметром частиц 60 мкм и 30 г порошка карбида кремния со средним диаметром частиц 10 мкм. Плакирование механической смеси порошков технической сажей в количестве 5% масс. осуществлялось в чашевом вибрационном истирателе в течение 30 минут. В полученный композиционный порошок вводился жидкий парафиново-восковой пластификатор в количестве 18 масс. %. После вакуумирования с перемешиванием горячий шликер при температуре 70°С отливался в неразборные аддитивные обратные формы из водорастворимого пластика, формирующие изделия:
- тонкостенный волнообразный элемент с толщиной стенки 1 мм (рисунок 1 и 2);
- стандартная прямоугольная балка 5×5×35 мм, контрольный образец для определения физико-химических характеристик.
Пустотелая модель литьевой формы из PVA-пластика для каждого изделия имела следующие параметры: процентное заполнение 30% об., толщина стенки каркаса 2 мм, сеточное октаэдрическое заполнение с толщиной стенки 500 мкм.
Шликерное литье осуществлялось при давлении 3 бар. Удаление (растворение) PVA-пластика в воде из отлитых керамических заготовок продолжалось в течение 48 часов. Полученные отлитые керамические заготовки подвергалась ступенчатой сушке в диапазоне 50-300°С до полного удаления парафино-воскового пластификатора.
Высушенные заготовки обсыпалась кусковым высокочистым кремнием (70 масс % от массы керамической заготовки) и подвергалась спеканию в вакууме при температуре 1550°С в течение 15 минут. Избыток кремния после спекания убирали с поверхности изделия пескоструйной обработкой.
Исследование контрольного образца показывает, что полученный горячим шликерным литьем в высокоточные растворимые аддитивные формы керамический материал характеризуется следующими свойствами:
- микротвердость 25 ГПа:
- плотность 2,85 г/см3;
- предел прочности на изгиб в окислительной среде при температуре 1200°С порядка 150 МПа;
- фазовая стабильность в вакууме при температуре 1200°С;
- усадка после спекания не более 1% об.;
- возможность получения тонкостенного элемента с толщиной стенки порядка 1 мм.
Claims (4)
1. Способ получения конструкционной керамики на основе тугоплавких карбидов для изделий сложной геометрии, заключающийся в перемешивании керамических карбидных порошковых материалов, инертных к кремнию и карбиду кремния при реакционном спекании, с дальнейшим плакированием углеродным компонентом и введением временного пластификатора, формовании заготовки, удалении пластификатора, проведении реакционного спекания заготовки с силицированием, отличающийся тем, что плакирование карбидных частиц осуществляют 5-7 мас.% углеродного компонента, формование осуществляют, используя метод горячего шликерного литья в пустотелую литьевую форму, полученную FDM-печатью из водорастворимого пластика - поливинилового спирта (PVA-пластика), с последующим растворением литьевой формы в водной среде, при этом используют модели литьевой формы с толщиной внешней каркасной стенки 2-3 мм и сеточным октаэдрическим заполнением PVA-пластиком с толщиной стенки 400-600 мкм с процентным заполнением 30-40 об.%, а шликерное литье осуществляют под давлением 3-5 бар.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов для плакирования используют механическую смесь крупных 40-60 мкм и мелких 3-10 мкм композиций карбидных частиц, инертных к кремнию и карбиду кремния при реакционном спекании с силицированием, в соотношении 3/1 по массе.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора используют горячую парафиново-восковую композицию в количестве 15-20 мас.% при температуре 70-90°С, которую удаляют после формирования керамической заготовки под спекание ступенчатой сушкой и механическим воздействием.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реакционное спекание заготовки в обсыпке кремнием осуществляют в вакууме при температуре 1500-1600°С в течение 10-20 минут.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2813271C1 true RU2813271C1 (ru) | 2024-02-08 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2104103B (en) * | 1981-08-21 | 1986-02-12 | Shinetsu Chemical Co | Forming shaped silicon carbide bodies |
| US20030110931A1 (en) * | 2000-11-21 | 2003-06-19 | Aghajanian Michael K. | Boron carbide composite bodies, and methods for making same |
| US20150336297A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-26 | Kent State University | Formwork for architectural applications and methods |
| CN105601279A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-05-25 | 中国钢研科技集团有限公司 | 注浆成型和固相烧结制备薄壁结构碳化硅陶瓷的方法 |
| RU2641683C1 (ru) * | 2016-11-27 | 2018-01-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ получения керамических изделий сложной объемной формы |
| RU2739774C1 (ru) * | 2020-04-03 | 2020-12-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт"-ЦНИИ КМ "Прометей") | Способ получения конструкционного керамического материала на основе карбида кремния для изделий сложной геометрии |
| RU2781232C1 (ru) * | 2021-11-29 | 2022-10-07 | Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Керамическая суспензия для 3D-печати и способ получения сложнопрофильных карбидокремниевых изделий на основе реакционно-связанного карбида кремния с применением 3D-печати |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2104103B (en) * | 1981-08-21 | 1986-02-12 | Shinetsu Chemical Co | Forming shaped silicon carbide bodies |
| US20030110931A1 (en) * | 2000-11-21 | 2003-06-19 | Aghajanian Michael K. | Boron carbide composite bodies, and methods for making same |
| US20150336297A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-26 | Kent State University | Formwork for architectural applications and methods |
| CN105601279A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-05-25 | 中国钢研科技集团有限公司 | 注浆成型和固相烧结制备薄壁结构碳化硅陶瓷的方法 |
| RU2641683C1 (ru) * | 2016-11-27 | 2018-01-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ получения керамических изделий сложной объемной формы |
| RU2739774C1 (ru) * | 2020-04-03 | 2020-12-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт"-ЦНИИ КМ "Прометей") | Способ получения конструкционного керамического материала на основе карбида кремния для изделий сложной геометрии |
| RU2781232C1 (ru) * | 2021-11-29 | 2022-10-07 | Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Керамическая суспензия для 3D-печати и способ получения сложнопрофильных карбидокремниевых изделий на основе реакционно-связанного карбида кремния с применением 3D-печати |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Leo et al. | Near‐net‐shaping methods for ceramic elements of (body) armor systems | |
| JP6651754B2 (ja) | 反応焼結炭化ケイ素部材の製造方法 | |
| Liu et al. | Research on selective laser sintering of Kaolin–epoxy resin ceramic powders combined with cold isostatic pressing and sintering | |
| US9695089B2 (en) | Method for the production of shaped articles from reaction-bonded, silicon-infiltrated silicon carbide and/or boron carbide and thus produced shaped body | |
| Grinchuk et al. | Effect of technological parameters on densification of reaction bonded Si/SiC ceramics | |
| CN101456737B (zh) | 一种碳化硼基复合陶瓷及其制备方法 | |
| CN110330351A (zh) | 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基零件的制备方法及产品 | |
| Frolova et al. | Molding features of silicon carbide products by the method of hot slip casting | |
| JP7266604B2 (ja) | セラミックマトリックスを含む複合部品の製造方法 | |
| US11883978B2 (en) | In situ synthesis, densification and shaping of non-oxide ceramics by vacuum additive manufacturing technologies | |
| JP2000202573A (ja) | ガスタ―ビン用途の鋳造に用いる性能の優れたコア組成物および物品 | |
| CN106673662A (zh) | 一种碳化硅陶瓷零件及其制备方法 | |
| JPS6141867B2 (ru) | ||
| US4019913A (en) | Process for fabricating silicon carbide articles | |
| CN113788701B (zh) | 3d打印木质纤维素衍生碳化硅陶瓷的制备方法及产品 | |
| Yang et al. | Layered extrusion forming of complex ceramic structures using starch as removable support | |
| CN106083205B (zh) | 一种通过化学气相渗透提高整体式氧化铝基陶瓷铸型高温强度的方法 | |
| RU2813271C1 (ru) | Способ получения конструкционной керамики на основе тугоплавких карбидов для изделий сложной геометрии | |
| CN102219520B (zh) | 一种碳化硅坯体及其生产工艺 | |
| CN102643095A (zh) | 一种SiC蜂窝陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN111747748B (zh) | 超高温防/隔热一体化ZrC/Zr2C复相材料及其制备方法 | |
| EP0178753B1 (en) | Process for producing a sintered silicon carbide/carbon composite ceramic body having ultrafine grain microstructure | |
| JP2008222500A (ja) | 多孔質成形体、多孔質充填成形体、多孔質成形体の製造方法及び多孔質充填成形体の製造方法 | |
| WO2006120936A1 (ja) | 焼結・焼成用セッターの製造方法 | |
| Tian et al. | Rapid manufacture of net-shape SiC components |