СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА С ОТКРЫТОЙ СКВОЗНОЙ ПОРИСТОСТЬЮ Российский патент 2002 года по МПК B22F7/04 

Изобретение относится к технологии изготовления пористых, преимущественно, металлических изделий с направленными сквозными каналами для устройств различного назначения, использующих гидродинамические, тепловые, диффузионные и физико-химические процессы, в частности для фильтров, элементов реакторов тонкого органического синтеза, каталитических элементов интенсификации химических реакций в газообразных и жидких средах, а также в условиях перехода из жидких в газообразные фазы или наоборот, и пористых изделий для горелочных устройств, преобразующих реакцию горения топлива в инфракрасное излучение.

Известен из патента Российской Федерации 2063304, кл. В 22 F 3/12, 1994 г. способ брикетирования металлических частиц, например проволоки, путем ее прессования до заданной плотности и пропускания через нее импульса электрического тока.

Известен из патента Великобритании 1190844, кл. D 04 h 1/08, 1967 г. способ изготовления пористых структур из металлических фибр, нарезанных из прядей проволоки, сохраняющих форму за счет сил трения при сцеплении фибр между собой, с последующей прокаткой структур в листы и подпрессовкой.

Известен также из патента Японии 52-10407, кл. 10 А 62, 1977 г. способ изготовления пористых изделий, включающий формирование пористой заготовки из металлургической проволоки путем сборки последней в слой и прокатки в валках с последующей термической обработкой.

Известен из патента США 4746287, кл. F 23 D 14/14, 1988 г. способ изготовления пористой заготовки путем заливки в матрицу тестообразного водного раствора, содержащего в качестве компонентов керамические фибры связующий неорганический агент в виде геля, испаряемый наполнитель и алюминиевый сплав в виде пудры, осаждаемой на поверхности керамических фибр, сушки сформированного изделия и отжиг его при температуре 600 - 1000^oС.

Известен из патента Российской Федерации 2096130, кл. В 22 F 3/10, 1994 г. способ изготовления пористых деталей из порошковых материалов, включающий смешение шихты, формирование детали и спекание исходных компонент, причем в состав шихты включен компонент, создающий при спекании защитную атмосферу, невозможность контроля и управления процессом формирования задаваемых техническими условиями физико-технических свойств пористых изделий в ходе формования последних и объединения фибр в единое целое.

Известен из авторского свидетельства СССР 1560402, кл. В 22 F 3/10, 1988 г. способ получения высокопористого материала, при котором металлический порошок смешивают с полиэфиром пенополиуритана, затем в смесь вводят изоцианат пенополиуритана, что приводит к получению заготовки из высокопористого полиуритана, нагревают последнюю в неокислительной атмосфере до 400^oС для удаления органических веществ и затем спекают по известной технологии.

Недостатками указанных способов являются низкое качество изготавливаемых изделий вследствие неоднородности их структуры, неравномерности распределения в изделиях сквозных каналов по сечению и наличие в них тупиковых пор, а также невозможность получения рабочих элементов конвертера с заданными параметрами физико-технических свойств и обеспечения строгой регулярности структуры порового пространства в сочетании с высокими техническими характеристиками (развитой удельной поверхностью, заданными теплопроводностью и проницаемостью) при достаточной связности фибр, контактирующих друг с другом, и возможность внесения вредных посторонних примесей при технологических операциях консолидации фибр.

Наиболее близким по своей сути к предложенному способу изготовления элемента с открытой пористостью является известный из технической литературы (А. Г. Косторнов. "Проницаемые металлические волокновые материалы", Техника, г. Киев, 1983, сс. 3-12) способ изготовления элемента с открытой сквозной пористостью, включающий формирование заготовки из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки, в заданной контролируемой среде.

Недостатками указанного способа является невозможность получения элементов с открытой сквозной пористостью с необходимыми физико-техническими свойствами и строгой регулярностью структуры порового пространства в сочетании с необходимыми техническими характеристиками (развитой удельной поверхностью, необходимыми теплопроводностью и проницаемостью), требуемыми прочностью и однородностью изделия, а также невозможность контроля и управления процессами формирования пористых изделий.

Задачей изобретения является изготовление рабочих элементов с заданными физико-химическими свойствами, регулярной структурой порового пространства и требуемыми техническими характеристиками (большой удельной поверхностью, заданными анизотропией и проницаемостью) стабильности характеристик рабочих элементов при эксплуатации.

Указанная задача достигается тем, что в способе изготовления элемента с открытой сквозной пористостью, включающем формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры заготовки из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки в контролируемой среде, причем согласно изобретению перед формированием заготовки элемента с открытой сквозной пористостью осуществляют изготовление фибры с профилированным поперечным сечением с соотношением L/d=50-150, где L - линейный размер фибры, d - максимальный размер поперечного сечения, а формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры заготовки осуществляют путем послойной укладки фибр в формообразующую оснастку по схеме свободно опертой фиксированной балки с образованием между ними сквозных каналов, имеющих приведенный диаметр их поперечных сечений, равный 0,1-100 максимальным поперечным размерам фибр, при этом при укладке каждого последующего слоя фибр обеспечивают сцепление фибры последующего слоя с фибрами предыдущего слоя, фибры размещают в каждом слое на расстоянии друг относительно друга, равном 10-150 максимальным поперечным размерам фибры, при этом их ориентируют в пространстве произвольно, с фиксацией положения фибр относительно друг друга, а объединение фибр в единое целое посредством термической обработки осуществляют нагревом заготовки до достижения температуры начала активной самодиффузии атомов материала фибр и выдерживают в средах, интенсифицирующих диффузионные процессы соединения контактирующих фибр, в течение периода времени, достаточного для образования зон, сращивающих фибры между собой, площадь поперечного сечения которых равна не менее 0,01 площади поперечного сечения фибры, после чего охлаждают заготовки до температуры окружающей среды.

Кроме того, в способе изготовления элемента с открытой сквозной пористостью при укладке каждого слоя заготовки часть фибр ориентируют под углом к горизонтальной плоскости; положение фибр относительно друг друга в каждом слое фиксируют путем его пропитки технологическим фиксатором, конгруэнтно испаряющимся или полностью разлагающимся на летучие компоненты при термической обработке; в процессе пропитки технологическим фиксатором заполняют не менее 0,01 суммарного объема пор заготовки; в качестве технологического фиксатора используют пленкообразующий материал; в качестве технологического фиксатора используют аэрозоль; фибры изготавливают из жаростойких и жаропрочных материалов; фибры изготавливают из никельсодержащих и/или хромсодержащих сплавов; фибры изготавливают из материалов, обладающих каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов, в газообразных и/или жидких средах; фибры изготавливают из материалов, обладающих каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов окисления углеводородов; фибры изготавливают из материалов, обладающих каталитическими свойствами восстановления окислов; на поверхность фибр наносят покрытие, обладающее каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов в газообразных и/или жидких средах; на поверхность фибр наносят покрытие, обладающее каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов окисления углеводородов; на поверхность фибр наносят покрытие, обладающее каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов восстановления окислов; технологический фиксатор удаляют из заготовки путем ее нагрева до полного испарения или разложения фиксатора на летучие компоненты; нагрев заготовки и выдержку ее при температуре активной самодиффузии материала поверхности фибр осуществляют под разрежением; выдержку заготовки при температуре активной самодиффузии материала поверхности фибр осуществляют в течение не менее 0,5 часов; после охлаждения заготовки элемента с открытой сквозной пористостью до температуры окружающей среды их располагают последовательно и объединяют в единое целое путем пропускания через них импульсов электрического тока от модулирующего источника энергии.

При использовании совокупности существенных признаков, характеризующих заявленный способ, достигается технический результат, заключающийся в том, что изготовленный по этому способу элемент с открытой сквозной пористостью обладает модулем упругости от 0,02 до 10% от величины модуля упругости материала фибр, величиной коэффициента Пуансона от 10 до 80% от величины коэффициента Пуансона материала фибр, а также резко выраженной анизотропией свойств (при объемной пористости не менее 80% проницаемость в осевом или радиальном направлении от 1-2 Па до 100-200 Па на 1 см толщины, теплопроводность и электропроводность в осевом 0,01% и радиальном направлениях до 10% от теплопроводности и электропроводности материала фибр, и по слоям - увеличивается от слоя к слою от 0,01 до 1% в осевом направлении и от 1 до 30% в радиальном направлении с ростом плотности слоя).

Сущность предложенного способа изготовления элемента с открытой сквозной пористостью заключается в следующем: предварительно изготавливают фибры с профилированным поперечным сечением, с соотношением L/d=50-150, где L - линейный размер фибры, a D - максимальный размер поперечного сечения фибры. Затем из фибр образуют проницаемую каркасно-скелетную структуру заготовки путем послойной укладки фибр в формообразующую оснастку по схеме свободно опертой фиксированной балки, с образованием между ними сквозных каналов, имеющих приведенный диаметр их поперечных сечений, равный 0,1-100 максимальным поперечным размерам фибр. При укладке каждого последующего слоя фибр обеспечивают сцепление последних с фибрами предыдущего слоя. Фибры в каждом слое располагают на расстоянии друг относительно друга, равном 10-150 максимальным поперечным размерам фибры, при этом их ориентируют в пространстве произвольно. После окончания формирования заготовки положение образующих ее фибр относительно друг друга фиксируется, например, технологическим фиксатором. После чего производится объединение фибр, составляющих заготовку, в единое целое термической обработкой, путем нагрева заготовки до достижения температуры начала активной самодиффузии атомов материала фибр и выдержки при этой температуре, в средах, интенсифицирующих диффузионные процессы соединения контактирующих фибр. Длительность выдержки определяется в каждом конкретном случае временем, необходимым для образования зон сращивания контактирующих фибр в единое целое. Площадь поперечного сечения каждой зоны сращивания равна не менее 0,01 площади поперечного сечения фибры. По окончании операции объединения фибр в единое целое заготовку охлаждают до температуры окружающей среды.

Пример 1 осуществления предложенного способа. Предварительно изготавливают фибры из сплава Х20Н80Т или Х15Н60, или Н80ХЮД-ВИ с круглым поперечным сечением и L/D=100. Затем послойно заполняют свободно падающими фибрами формообразующую оснастку и, таким образом, формируют проницаемую пористую каркасно-скелетную структуру заготовки рабочего элемента конвертера из фибр, контактирующих друг с другом по схеме свободно опертой фиксированной балки. Фибры, в первых пяти слоях, укладывают, преимущественно, под углами 0,15-5^o а в каждом последующем слое большую часть фибр размещают с произвольной пространственной направленностью, преимущественно, в диапазоне углов от 25 до 75^o, причем не менее 30% фибр в поверхностных слоях располагают преимущественно под углами 75-90^o (слой, стабилизирующий горение углеводородов в инфракрасных горелках). Благодаря такой послойной укладке фибр между ними образуются извилистые сквозные каналы, приведенный диаметр поперечных сечений которых равен в среднем по объему изделия 20 диаметрам образующих их фибр, что обуславливает минимальное гидравлическое сопротивление рабочего элемента конвертера, не превышающее 200 Па на 1 см толщины, и ультравысокую объемную пористость, равную 95-98%. Положение фибр относительно друг друга после их укладки в формообразующей оснастке фиксируют путем аэрозольной пропитки заготовки технологическим фиксатором, застывающим при комнатной температуре. Затем заготовку рабочего элемента конвертера помещают в контейнер и подвергают термическому воздействию в вакуумной печи. В процессе нагрева до температуры начала активной самодиффузии атомов материала поверхности фибр осуществляют удаление технологического фиксатора и очистку поверхности фибр от окислов, снятие механических напряжений в заготовке и создают среду, интенсифицирующую диффузионные процессы соединения контактирующих фибр. После чего нагревают заготовку до достижения температуры начала активной самодиффузии атомов материала фибр, обеспечивающей объединение фибр, составляющих заготовку, в единое целое. Длительность выдержки задают временем необходимым для образования зон сращивания с площадью поперечного сечения не менее 0,25 от площади поперечного сечения контактирующих фибр, соединяющих последние в единое целое. По окончании операции объединения фибр в единое целое заготовку охлаждают до температуры окружающей среды. Описанный в данном примере способ используется преимущественно для изготовления горелочных высокопористых насадок инфракрасных горелок.

Пример 2 осуществления предложенного способа. Предварительно нарезают из металлической проволоки жаропрочного и жаростойкого сплава фибры длиной, равной 70, 85 и 120 диаметрам проволоки. Из фибр длиной, равной 120 диаметрам проволоки, формируют первый слой заготовки рабочего элемента конвертера, затем формируют второй слой из фибр длиной, равной 85 диаметрам, а далее третий слой из фибр длиной, равной 70 диаметрам фибры. Контактирующие друг с другом фибры укладываются послойно по схеме свободно опертой фиксированной балки методом свободного падения тела в формообразующую оснастку. В каждом слое фибры размещают произвольно на расстоянии друг от друга около 100 их максимальных поперечных размеров с образованием между ними извилистых сквозных каналов, имеющих переменный приведенный диаметр поперечных сечений, равный 20 максимальным поперечным размерам фибры, в первом слое и уменьшающийся до величины, равной 15 диаметрам фибры, в последнем слое. Фибры в первом слое при этом размещаются произвольно в пространстве под углами в первом слое от 0,15 до 1,5^o, в последующих слоях, преимущественно, от 30 до 80^o. Положение фибр, после их укладки, фиксируют путем пропитки каждого слоя фиксатором, сохраняющим свои фиксирующие свойства при комнатной температуре. Затем заготовку рабочего элемента конвертера подвергают термическому воздействию в вакуумной печи. В процессе нагрева удаляют фиксатор, производят очистку поверхности фибр и снятие остаточных механических напряжений. Заготовку плавно нагревают в контролируемой среде со скоростью 500 град/час до достижения 0,75 Т_{плавления} материала фибр и выдерживают при этой температуре в течение не менее 2 часов под разряжением, равным 0,01 Па, для объединения фибр в единое целое согласно условий, указанных выше в первом примере. По окончании процесса спекания заготовки рабочего элемента конвертера охлаждают до температуры окружающей среды.

Пример 3 осуществления предложенного способа. Предварительно нарезают из неметаллического жаропрочного и жаростойкого волокна или нити фибры длиной, равной 70, 85 и 120 диаметрам нити. Из фибр длиной, равной 120 диаметрам указанной нити, формируют первый слой заготовки рабочего элемента конвертера, затем формируют второй слой из фибр длиной, равной 85 диаметрам, а далее третий слой из фибр длиной, равной 70 диаметрам фибры. Контактирующие друг с другом фибры укладываются послойно по схеме свободно опертой фиксированной балки методом свободного падения в формообразующую оснастку. В каждом слое фибры размещают произвольно на расстоянии друг от друга около 100 их максимальных поперечных размеров с образованием между ними извилистых сквозных каналов, имеющих переменный приведенный диаметр поперечных сечений, равный 20 максимальным поперечным размерам фибры, в первом слое и уменьшающийся до величины, равной 15 диаметрам фибры, в последнем слое. Фибры в первом слое при этом размещаются произвольно в пространстве под углами в первом слое от 0,15 до 1,5^o, в последующих слоях, преимущественно, - от 30 до 80^o. Положение фибр, после их укладки, фиксируют фиксатором путем пропитки каждого слоя после его укладки с последующим прессованием на 1/2 высоты слоя. В этом случае пористость слоя изменяется на величину 2П - 1, где П - величина первоначальной пористости слоя. Затем заготовку рабочего элемента конвертера подвергают термическому воздействию в вакуумной печи. В процессе нагрева удаляют и/или преобразуют фиксатор в керамический материал фибры. Нагрев заготовки производят плавно до достижения 0,75 Т_{плавления} материала фибр и выдерживают при этой температуре в течение 4 часов. По окончании процесса спекания заготовки рабочего элемента конвертера охлаждают до температуры окружающей среды и извлекают из формы. В результате изготовленный указанным в данном примере способом конвертер обладает резко выраженной анизотропией свойств (проницаемость в осевом и радиальном направлениях, теплопроводность в осевом 0.02% и радиальном направлениях до 10% от теплопроводности компактного материала фибр, и по слоям - увеличивается от слоя к слою от 0,02 до 1% в осевом направлении и от % до 10% в радиальном направлении с ростом плотности слоя).

Изобретение относится к области изготовления пористых, преимущественно металлических изделий с направленными сквозными каналами. Согласно изобретению в способе изготовления элемента с открытой сквозной пористостью перед формированием элемента производят изготовление фибр заданных линейных размеров и профиля поперечного сечения, формирование заготовки осуществляют послойной укладкой фибр, в каждом слое фибры укладывают с образованием между ними сквозных каналов, положение фибр в формообразующей оснастке фиксируют, после чего фибры объединяют в единое целое термическим воздействием, в процессе нагрева удаляют технологический фиксатор и производят снятие напряжений и очистку поверхности фибр, заготовки элементов нагревают в контролируемой атмосфере до достижения требуемой температуры и выдерживают при этой температуре под разрежением до спекания фибр в единое целое, по окончании спекания элементы охлаждают и извлекают из форм. Изготовленные элементы обладают регулярной структурой порового пространства, большой удельной поверхностью, заданной анизотропией и проницаемостью. 17 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления элемента с открытой сквозной пористостью, включающий формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры заготовки из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки в контролируемой среде, отличающийся тем, что перед формированием заготовки элемента с открытой сквозной пористостью осуществляют изготовление фибры с профилированным поперечным сечением с соотношением L/d= 50-150, где L - линейный размер фибры, d - максимальный размер поперечного сечения, а формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры заготовки осуществляют путем послойной укладки фибр в формообразующую оснастку по схеме свободно опертой фиксированной балки с образованием между ними сквозных каналов, имеющих приведенный диаметр их поперечных сечений, равный 0,1 - 100 максимальным поперечным размерам фибр, при этом при укладке каждого последующего слоя фибр обеспечивают сцепление фибры последующего слоя с фибрами предыдущего слоя, фибры размещают в каждом слое на расстоянии друг относительно друга, равном 10 - 150 максимальным поперечным размерам фибры, при этом их ориентируют в пространстве произвольно, с фиксацией положения фибр относительно друг друга, а объединение фибр в единое целое посредством термической обработки осуществляют нагревом заготовки до достижения температуры начала активной самодиффузии атомов материала фибр и выдерживают в средах, интенсифицирующих диффузионные процессы соединения контактирующих фибр, в течение периода времени, достаточного для образования зон, сращивающих фибры между собой, площадь поперечного сечения которых равна не менее 0,01 площади поперечного сечения фибры, после чего охлаждают заготовки до температуры окружающей среды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при укладке каждого слоя заготовки часть фибр ориентируют под углом к горизонтальной плоскости. 3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что положение фибр относительно друг друга в каждом слое фиксируют путем его пропитки технологическим фиксатором, конгруэнтно испаряющимся или полностью разлагающимся на летучие компоненты при термической обработке. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в процессе пропитки технологическим фиксатором заполняют не менее 0,01 суммарного объема пор заготовки. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве технологического фиксатора используют пленкообразующий материал. 6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве технологического фиксатора используют аэрозоль. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что фибры изготавливают из жаростойких и жаропрочных материалов. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что фибры изготавливают из никельсодержащих и/или хромсодержащих сплавов. 9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что фибры изготавливают из материалов, обладающих каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов в газообразных и/или жидких средах. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что фибры изготавливают из материалов, обладающих каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов окисления углеводородов. 11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что фибры изготавливают из материалов, обладающих каталитическими свойствами восстановления окислов. 12. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что на поверхность фибр наносят покрытие, обладающее каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов в газообразных и/или жидких средах. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на поверхность фибр наносят покрытие, обладающее каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов окисления углеводородов. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на поверхность фибр наносят покрытие, обладающее каталитическими свойствами интенсификации физико-химических процессов восстановления окислов. 15. Способ по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что технологический фиксатор удаляют из заготовки путем ее нагрева до полного испарения или разложения фиксатора на летучие компоненты. 16. Способ по любому из пп. 1-15, отличающийся тем, что нагрев заготовки и выдержку ее при температуре активной самодиффузии материала поверхности фибр осуществляют под разрежением. 17. Способ по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что выдержку заготовки при температуре активной самодиффузии материала поверхности фибр осуществляют в течение не менее 0,5 ч. 18. Способ по любому из пп. 1-17, отличающийся тем, что после охлаждения заготовок элемента с открытой сквозной пористостью до температуры окружающей среды их располагают последовательно и объединяют в единое целое путем пропускания через них импульсов электрического тока от модулирующего источника энергии.