SU1073229A1 - Способ получени материала на основе нитрида кремни - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка наоснове кремни  путем его высокотемпературного азотировани  врежиме горени  при давлении 100-1000 бар, отличающийс  тем, что, с целью получени  изделий, обладающих повышенной высокотемпе{)атурной прочность , готов т смесь порошков, содержащую , мае. %: Кремний44-54 Нитрид кремни  44-55 Углерод1-3 формуют из нее заготовки, азотирование которых осуществл ют при 2300- , 2600 К.

Description

О

С«9 N5 SO

со Изобретение относитс  к порошковой металлургии, в частности к полу чению керамических изделий из реакционно-спечённого нитрида кремни , которые облсшают высокой термопроводностью , термостойкостью и эрознойной стойкостью. Эти издели  при мен ют в качестве конструкционных элементов, работающих в экстремальных тепловых услови х, например, деталей газотурбинных двигателей. Известен способ получени  реакционао-спеченного нитрида кремни  путем азотировани  прессованной заготовки из порошка кремни  в кремни содержащей эасыпке (порошок нитрида бора и кремни ) при 40-60 атм и 200 2100 К 1 . Недостатком этого способа  вл ет с  длительность процесса азотировани  и примене.ние энергоемкого печно го оборудовани . Известен способ получени  реакционно-спеченного нитрида кремни  путем азотировани  заготовок из тон кодисперсного порошка кремни  газообразным азотом при 1600 К в течение 120 ч 2 . Недостатком указанного способа  вл етс  длительность процесса азотировани  а, также применение энерг ёмкого, уникального, дорогосто щего .технологического оборудовани , обус ловленное использованием высоких те ператур и давлени .. Известен также способ получени  керамических изделий на основе нитрида кремни , заключающийс  в том, что порошок кремни  предварительно смешивают с нитридом кремни  (550 мас,%) и с кислородсодержащим со единением (1,5-2,4 мае.%), затем формуют изделие, которое подвергают азотированию газообразным азотом при 1700 К в течение 4-5 ч з . Использование кислородсодержащего соединени  загр зн ет керамическое изделие окислгини которые ухудшают его высокотемпературную прочность . Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ получени  нитрида кремни  с содержанием кислорода менее 0,5% путем высокотемпературного азотировани  в режиме горени  (самораспростран ющегос  синтеза - СВС порошка кремни  при Р ло 4000 К и давлении до 1000 бар |j4 . Данный способ позвол ет получать порошок нитрида кремни  с незначительным содержанием кислорода, однако дл  дальнейшего получени  плот ных гор чепрессованных изделий в шихту необходимо вводить кислородные спекающие добавки, что обусловливает падение прочности с ростом температуры. Цель изобретени  - получение изделий , сбладаквдих повышенной высокотемпературной прочностью. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу получени  материала на основе нитрида кремни  из порошка на основе кремни  путем его высокотемпературного азотировани  в режиме горени  при давлении 1001000 бар, готов т смесь порошков, содержащую, мае. %: кремний 44-54, нитрид кремни  44-55; углерод 1-3, формуют из нее заготовки, азотирование которых осуществл ют при 23002600 К. Азотирование в режиме горени  (процесс СВС) основано на том, что реакци  образовани  нитрида кремни   вл етс  экзотермической и протекает- со значительным -выделением тепла: 5iN4-tSi+N2-tC- Si, + q, где Q - теплота реакции. Это приводит к тому, что после локального воспламенени  смеси фронт горени  распростран етс  по формованному изделию самопроизвольно со скоростью 1 мм/с, температура во фронте горени  достигает 2600 К. Таким образом, процесс азотировани  протекает за 2-3 мин. Увеличение температуры азотировани  свыше 2600 К приводит к увеличению диссоциации нитрида кремни  и, следовательно, к уменьшению содержани  азота в полученном изделии, что ухудшает его высокотемпературную прочность. Снижение температуры ниже 2100 К не позвол ет осуществить СВС. Снижение давлени  ниже 100 бар не обеспечивает необходимую полноту азотировани  издели . При давлении выше 1000 бар из-за больших теплопотерь не осуществл етс  СВС. Введение в исходную смесь углерода св зывает свободный кремний, который выплавл етс  из издели , так как температура в режиме горени  достигает (2600 К) и значительно превышает температуру плавлени  кремни  (1700 К) .Введение в исходную смесь углерода менее 1 мас.% приводит к выплавлению свободного кремни  из издели , что ухудшает -его физико-механические свойства. А введение углерода в исходную смесь свыше 3 мас.% приводит к сильному газовыделенню за счет восстановлени  углеродом окиси кремни , котора  всегда в небольшом количестве присутствует на частицах кремни , и нарушает прочность образца . Пример. Берут 44 мас.% порошка кремни  марки КРО. ГОСТ 216969 с удельной поверхностью 4 ,

смешивают с 55 мас.% порошка ни-Грй- да кремни  ТУ 20-23-80 с удельной поверхностью 0,3 м/г и 1 мас.% углерода в вапе сажи марки ПМ-15ТС ОСТ 381531-73 с удельной поверхностью 16 в шаровой мельнице в течение 20 ч. Затем в полученную снлесь добавл ют пластификаторг состо щий из пчелиного воска и парафина, формуют методом полусухого прессовани  изделие, имеющее плотность 1,8 г/см. Цосле того изделие помещают в сушильный шкаф при 600 К и за 8 ч удал ют пластификатор. Затем изделие помещают в реактор-СВС на графитовую подложку. Сбоку издели  иасыпают тонкий слой Исходной смеси ив контакте с ней размещают воль рамовую спираль, укрепленную в герметичные электровводы. Далее реактор закрывают герметичной крышкой, откачивёиот до давлени  10-1 бар и заполн ют азотом до давлени  100 бар. этого на вольфрё1мовую спираль подают электрический импульс (U 3050 8,3 40-50 А, 3-4 с длительности) Электрический импульс инициирует в смеси и изделии, реакцию СВС, котора  протекает при со скоростью 1 мм/с. Процесс, горени  длитс  23-мин . После естественного остыва ии  продуктов реакции реактор открывают и извлекают из него изделие из реакционно-спеченного нитрида кремни .

Режимы синтеза, данные по составу плотность и прочность .полученного издели  .представлены в таблице. Плотность полученного издели  2,3 г/см.

n

n s

4 (N

N

ri

ГО f

00

r

-CTi

y

f о

о

о

о о «

о о

о

п

VO

гм

ГМ

04

о о о

о о о

см

1Л

in

710732298

Материал, изготовленный из порош-при изгибе 12-16 кг/мм при 293 К и всего

ка нитрцда кремни , полученного ме-3,2-5 кг/м1иП1ри 1800 К,в то врем ,как

тодом СВС, имеет плотность (порис-. материал, из готовленный да нымспосотость %), лежащую в тех же пределахбом,имеет прочность 16 кг/мм-в интерва2 ,4-2,5 г/см (25-23%) прочностьле температур293-1800 К.

Claims (1)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА . НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка на·основе кремния путем его высокотемпературного азотирования в'режиме горения при давлении 100-1000 бар, отличающийся тем, что, с целью получения изделий, обладающих повышенной высокотемпературной прочностью, готовят смесь порошков, содержащую, мае. %:

   Кремний44-54

   Нитрид кремния44-55

   Углерод формуют из нее заготовки, азотирование которых осуществляют при 2300- _е 2600 К.S