ШИХТА КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИМЕНЕНИЯ В ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ Российский патент 2013 года по МПК C04B35/565 C04B35/111 C04B35/443 

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к составу шихты для получения конструкционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующихся высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного (300 м/с) окислительного потока.

Известен керамический материал (RU 2402507, Кл. С04В 35/565, 27.10.2010), содержащий (мас.%): 0,7-1,4, MgO 4,1-8,2 Y₂O₃, 5,2-10,4 Al₂O₃, остальное SiC.

Известен так же керамический материал (RU 2406196, кл. Н01Т 21/02, 10.12.2010), содержащий карбид кремния 50-75 (мас.%) и 25-50 (мас.%) Y₂O₃+Al₂O₃, способствующих при обжиге изделий образованию иттрий-алюминиевого граната. обеспечивающего спекание материала до высокой плотности за счет образования жидкой фазы.

Указанные материалы имеют высокий уровень свойств, но могут быть применимы как конструкционный материал при сравнительно низких температурах.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (взят за прототип) является керамический материал (US 5656218, С04В 35/64, от 12.08.1997), шихта для изготовления которого состоит (% мас.): карбид кремния 10-90, оксид алюминия 3-15, оксид иттрия 2-10. При обжиге изделий оксидные компоненты практически полностью взаимодействуют с образованием иттрий-алюминиевого граната, способствующего спеканию до высокой плотности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является получение высокотемпературного конструкционного материала с высокой окислительной, коррозионной и термической стойкостью в условиях воздействия высокоскоростного окислительного газового потока.

Указанные известные керамические материалы на основе карбида кремния не могут быть использованы в столь же жестких условиях службы в связи с большим содержанием в их фазовом составе компонентов со сравнительно низкой температурой плавления (1930°С).

Технический результат изобретения заключается в разработке состава шихты для конструкционного керамического материала для высокотемпературного применения при температурах 1800°С и выше при комплексном длительном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительной среды.

Это достигается тем, что шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, Y₂O₃, Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃, содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):

SiC 76-80 Y₂O₃ 4-5 Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃ 16-19

Высокая стойкость к окислению и эрозионному воздействию высокотемпературному (до 2000°С) газовому потоку обеспечивается незначительным содержанием иттрий-алюминиевого граната (состав 1), а в случае содержания Y₂O₃ и шпинели в материале присутствуют высокотемпературные фазы (Тпл.≥2100°С), что и обуславливает их высокую стойкость к разным факторам воздействия.

Исследования физико-технических характеристик проводили на образцах размером 6×6×50 мм и пластинах размером 63×60×8 мм.

Разработанные конструкционные материалы в пределах предлагаемых составов шихты имеют следующие свойства: плотность - 97-99%, прочность при изгибе 340-400 МПа, прочность при сжатии 1000-1200 МПа, твердость 23-27 ГПа, критический коэффициент интенсивности напряжений К1с 8-10 МПа·м^1/2 и высокую стойкость к окислению (см. таблицу).

Пример 1.

Керамические порошки в соотношении 0,2% оксида иттрия, 34,8% оксида алюминия, 65% (% масс.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 1-5 мкм. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (%мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)

Пример 2.

Совместным измельчением в планетарной мельнице до дисперсности 0,1-5 мкм в среде безводного этилового спирта изготавливают порошковую шихту, состоящую из 19% оксида алюминия, 76% карбида кремния, 5% (% мас.) оксида иттрия. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.

Приготавливают формовочную массу, содержащую 5% (% мас.) технологической связки из поливинилового спирта и 95% (% мас.) керамического порошка.

Образцы изготавливают прессованием при давлении 300 МПа. Сушку проводят на воздухе при температуре 150-200°С. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)

Пример 3.

Керамические порошки в соотношении 4% оксида иттрия, 16% алюмомагнезиальной шпинели, 80% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0.05-5 мкм.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 300 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Пример 4.

Порошок, состоящий из 17,5% алюмомагнезиальной шпинели, 4,5% оксида иттрия, 78% (% мас.) карбида кремния, измельчают в планетарной мельнице в среде безводного спирта до дисперсности 0,4-3 мкм. Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1850°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Пример 5.

Керамические порошки в соотношении 3% оксида иттрия, 27% алюмомагнезиальной шпинели, 70% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0,1-4 мкм.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Компонентные составы и свойства композиционною керамического материала.

Таблица № п/п Состав, % мас. Плотность % от теор. Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа Твердость по Виккерсу, ГПа К1c, МПа·м^1/2 Δm*мг/см²с   34,8%               Al₂O₃             1 65% SiC 90 210 630 17 4,3 0,08   0,2% Y₂O₃               19% Al₂O₃             2 76% SiC 97 340 1000 24 8 0,019   5% Y₂O₃               16%               Al₂O₃·MgO             3 80% SiC 98 380 1100 23 10,0 0,015   4% Y₂O₃               17,5%               Al₂O₃·MgO             4 78% SiC 99 400 1200 27 9,3 0,017   4,5% Y₂O₃               27%             5 Al₂O₃·MgO 98 300 800 18 9,2 0,012   70% SiC               3% Y₂O₃             6 Прототип 95 200 600 15 - 0,2 *Привес массы после выдержки на воздухе при 1650°С за 5 часов.

Изделия из предлагаемого материала могут быть использованы для изготовления теплонапряженных деталей, работающих при температурах до 2000 К в условиях, которые требуют высокой прочности, твердости и окислительной стойкости, а также в условиях термоудара, например чехлов для термопар непрерывного контроля температуры расплавов металлов. В металлообрабатывающей промышленности - для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности - клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов, наконечники мундштуков для сварки, сопловые насадки для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока. Технический результат заключается в возможности использования указанного керамического материала при температуре Т=1800°С при комплексном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительных сред. Это достигается тем, что композиционный керамический материал для высокотемпературного применения в окислительных средах получают из шихты, содержащей SiC, Y₂O₃, Al₂O₃ и/или Al₂O₃·MgO, при следующем соотношении компонентов, (% мас.): SiC 76-80, Y₂O₃ 4-5, Al₂O₃ и/или Al₂O₃·MgO - остальное. Получаемый керамический материал имеет следующие характеристики: плотность 99% от теоретической, прочность при изгибе 400±25 МПа, прочность при сжатии 1200±40 МПа, твердость по Виккерсу 25-27 ГПа, K1_c - 8,5-10,0 МПа·м^1/2, окислительная стойкость ≤0,015 мг/см²сек, рабочая температура 1800°С. 5 пр., 1 табл.

Шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃ и Y₂O_3, отличающаяся тем, что содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):
SiC 76-80 Y₂O₃ 4-5 Al₂O₃ и/или MgO·Al₂O₃ 16-19