Способ приготовления шихты для получения температуроустойчивых материалов и покрытий на основе системы Si-BC-ZrB Российский патент 2022 года по МПК C04B41/87 C04B35/58 

Изобретение относится к технологии создания температуроустойчивых материалов и покрытий, которые используются в различных областях промышленности, таких как металлургия, атомная энергетика, космическая и авиационная техника, машиностроение и радиоэлектроника.

В металлургии такие материалы и покрытия могут применяться для защиты графитовых электродов, которые используются в электродуговой печи для выплавки стали.

В авиации и космонавтике такие материалы и покрытия могут найти применение для особо термически нагруженных конструкционных элементов - кромок крыльев и носовых обтекателей летательных аппаратов.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известен способ получения защитного покрытия по патенту РФ 2471751, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний и борид циркония, приготовление шликера с добавлением органического связующего, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки в воздушной среде, отличающийся тем, что на стадии приготовления шихты в состав исходных компонентов дополнительно вводят бор при следующем соотношении исходных компонентов, мас. %: Si 65-75, ZrB₂ 10-30, В 10-30, а термообработку полученной заготовки проводят при температуре 650-1000°С в течение 10-15 мин. В составе исходных компонентов используют бор с удельной поверхностью 29-22 м²/г. Недостатком данного способа является то, что термообработку покрытия проводят при 650-1000°С, которые недостаточны для достижения высокой прочности материала и следовательно недостаточно высоких механических свойств. При этом поверхностный слой защитного покрытия оказывается неровным, малопористым и недостаточно остеклованным.

Известен способ получения защитного покрытия и шихты для его осуществления по патенту РФ №2613645, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний, карбид бора и борид циркония, приготовление шликера, нанесение шликера на подложку и последующую термообработку полученной заготовки в воздушной среде, отличающийся тем, что на стадии приготовления шихты в нее дополнительно (взамен бора) добавляют карбид бора, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 65-75, ZrB₂ 10-30, В₄С 10-30, приготовление шликера осуществляют с использованием органического связующего в виде ацетонового раствора кремниевой кислоты в количестве 5-10 масс. % свыше 100% массы шихты в расчете на сухое вещество -диоксид кремния, затем слой шликера наносят на подложку из жаростойкого неметаллического материала высушивают полученную заготовку при 40-80°С, после чего подвергают заключительному обжигу при 500-550°С.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа

Известный способ получения защитного покрытия и состав шихты для защитного покрытия обеспечивает снижение температуры термообработки в интервале от 600 до 650°С, со скоростью 60-65 К/мин, снижение себестоимости продукта при сохранении его эксплуатационных характеристик при температуре 1400°С и выше в течение длительного времени.

Недостатками известного технического решения является то, что оно не обеспечивало возможность получения материалов и покрытий с высокими механическими свойствами и структурой, необходимой для их работы в сложных температурных условиях. Кроме того, в известном решении в составе шихты использовалось трудное для получения связующее -ацетоновый раствор кремневой кислоты, требующее множества технологических операций для его изготовления и особых условий хранения и особых условий хранения.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение механических свойств материалов и покрытий за счет введения в состав шихты наноразмерных оксидов алюминия или циркония, что способствует улучшению структуры и свойств новых, получаемых при использовании заявленного изобретения, температуроустойчивых стеклокерамических материалов и покрытий.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению способ приготовления шихты для получения температуроустойчивых материалов и покрытий на основе системы Si - В₄С - ZrB₂ включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний, карбид бора и борид циркония, характеризуется тем, что в состав шихты вводят добавку из наноразмерных частиц оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si - 55-65, ZrB₂ - 12-18, В₄С - 8-17, Al₂O₃ - 12-17, затем готовят шликер на основе шихты с органическим связующим в виде 2% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы, после этого густой шликер со связующим помещают в пресс-форму и прессуют образец, далее высушивают полученный образец при температуре 80°С, после чего подвергают его заключительному обжигу в воздушной атмосфере при температуре 1300°С в течение 15 мин.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что все компоненты системы являются жаростойкими соединениями. При обработке на воздухе под воздействием высокой температуры реакционным путем формируется градиентный стеклокерамический материал или покрытие. Благодаря капсулирующему действию стеклообразующего расплава внутренняя часть полученного материала или покрытия состоит из исходных порошков, а наружная из продуктов их окисления. При этом в случае образования дефектов в поверхностном слое наблюдается их залечивание за счет окисления бор- и кремнийсодержащих соединений.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

В качестве органического связующего используется раствор карбоксиметилцеллюлозы для формовки компактного образца. Этот раствор в качестве связующего добавляют в шихту, затем полученный густой состав помещают в пресс-форму и прессуют прямоугольный образец, после этого полученный образец сушат на электрической плитке при температуре 80°С для того, чтобы он затвердел. Затем проводят термообработку образца на воздухе, в печи при температуре 1300°С в течение 15 мин. При этом формирование остеклованного слоя происходит уже при 800°С благодаря введению в состав системы карбида бора В₄С.

Материал или покрытие на основе шихты, полученной заявленным способом, выдерживают воздействие температуры вплоть до 1400°С. Экспериментально доказано, что при введении в шихту добавок из наноразмерных частиц оксида алюминия улучшаются механические свойства полученных на ее основе материалов или покрытий.

Основной результат: материалы или покрытия на основе шихты, полученной заявленным способом, представляют собой градиентные композиции, состоящие из неокисленных исходных частиц и поверхностного оксидного слоя, которые в результате введения наноразмерных частиц оксида алюминия обладают улучшенными характеристиками модуля упругости и прочности на изгиб.

Достижение задачи изобретения поясняется конкретными примерами. Составы шихты приведены в таблице 1, в которой примеры 1-3 соответствуют заявленному ее составу, а примеры 4 и 5 соответствуют составам шихты, в которых содержание оксида алюминия выходит за пределы заявляемого, причем пример 6 соответствует составу шихты без добавки оксида алюминия.

Качественная характеристика материалов или покрытий, а именно, прочность на изгиб после термообработки, приведена в таблице 2, в которой номера примеров соответствуют нумерации составов, приведенных в таблице 1.

Из таблицы 2 видно, что для материалов или покрытий, получивших 2 или 3 балла характерно низкое значение прочности на изгиб. Для материалов или покрытий, получивших оценку 5 баллов характерно высокое значение прочности на изгиб. Введение оксидной добавки приводит к повышению вязкости стеклообразующего расплава и термостойкости стеклокерамического материала или покрытия.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Изобретение относится к технологии создания температуроустойчивых материалов и покрытий, которые используются в различных областях промышленности, таких как металлургия, атомная энергетика, космическая и авиационная техника, машиностроение и радиоэлектроника. В состав шихты вводят добавку из наноразмерных частиц оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 55-65, ZrB₂ 12-18, В₄С 8-17, Аl₂O₃ 12-17, затем готовят шликер на основе шихты с органическим связующим в виде 2% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы. Материалы или покрытия на основе такой шихты, полученные после термообработки, представляют собой градиентные композиции, состоящие из неокисленных исходных частиц и поверхностного оксидного слоя. В результате введения в шихту наноразмерных частиц оксида алюминия материалы обладают улучшенными характеристиками модуля упругости и прочности на изгиб. 2 табл.

Способ приготовления шихты для получения температуроустойчивых материалов и покрытий на основе системы Si - В₄С - ZrB₂, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, содержащих кремний, карбид бора и борид циркония, отличающийся тем, что в состав шихты вводят добавку из наноразмерных частиц оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 55-65, ZrB₂ 12-18, В₄С 8-17, Аl₂O₃ 12-17, затем готовят шликер на основе шихты с органическим связующим в виде 2% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы.