Высокотемпературный реакционносвязанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК B22F7/02 C04B35/565 

Изобретение относится к высокотемпературным конструкционным композиционным материалам с керамической матрицей и способам их получения. Изобретение может быть использовано для изготовления нагруженных элементов конструкций высокотемпературных узлов, например, в авиационных двигателях.

Керамические материалы на основе карбида кремния широко применяются в конструкциях высокотемпературных узлов. Известна керамика, которая содержит помимо карбидокремниевой фазы в виде связанного каркаса, включения остаточного углерода и кремния, при этом соотношение фаз варьируется в широких пределах, обусловленных предназначением керамики для того или иного применения [Патент RU 2573146 Композиция углеродной заготовки для получения SiC/C/Si керамики и способ получения SiC/C/Si изделий]. Недостатком SiC/C/Si керамик является хрупкий характер разрушения как при низких, так и высоких температурах.

Известно, что замена кремния дисилицидом молибдена в керамических материалах на основе карбида кремния существенно улучшает их прочность. Известна высокотемпературная керамика на основе карбида кремния и дисилицида молибдена [Патент RU 2788686 «Композиция для высокотемпературной керамики и способ получения высокотемпературной керамики на основе карбида кремния и силицида молибдена»]. В процессе пропитки жидким кремнием пористой углеродной матрицы с внедренным порошком молибдена, последний частично или полностью переходит в дисилицид молибдена, гомогенно внедренный в карбидокремниевую структуру. При этом существенно снижено количество остаточного кремния, что улучшает механические свойства материала.

Известным способом получения слоистых композитов является высокотемпературное спекание под давлением (диффузионная сварка) пакетов фольг молибдена, содержащих слой материалов матрицы, при этом пакеты прокладываются алюминиевой фольгой [Патент 2751062 «Высокотемпературный слоисто-волокнистый композит, армированный оксидными волокнами, и способ его получения»]. При высокотемпературном сжатии происходит термодиффузия металлов с полным переходом алюминия в растворы в ниобии и молибдене, что приводит к скреплению несвязанных изначально слоев металла в монолитный композит. Образующиеся на границах растворы металлов способствуют образованию монолитных изделий высокой прочности в выбранном направлении. Структура из чередующихся слоев пластичных силицидов и остаточного металла в непрерывных слоях фольг препятствует хрупкому разрушению композита при распространении трещины или способствует ее существенному торможению. Недостатком способа является ограничение размеров и форм получаемых заготовок, существенные изменения размеров промежуточных заготовок, в том числе технологические большие усадки в процессе прессования и диффузионной сварки.

Известным способом получения керамометаллических материалов является пропитка металлами или сплавами углеродной основы с образованием структуры продуктов реакции. Так, известен способ получения карбидокремниевого материала путем пропитки жидким кремнием пористой углеродной матрицы [Патент RU 2573146 Композиция углеродной заготовки для получения SiC/C/Si керамики и способ получения SiC/C/Si изделий]. Способ позволяет получать заготовки изделий сложной формы, путем механической обработки мягкой углеродной матрицы, которая переходит при силицировании в керамический материал с минимальным изменением размеров.

Изобретение направлено на создание композита на основе карбида кремния, реакционно связанного со слоями тугоплавких металлов (армирующими добавками).

Технический результат состоит в повышении характеристик прочности и сопротивления разрушению керамометаллических композитов, увеличении размеров изделий, упрощении подготовки исходных компонентов.

Технический результат достигается за счет того, что высокотемпературный реакционно связанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов, включающий SiC/C/Si керамическую матрицу и силицид тугоплавкого металла содержит в объеме SiC/C/Si керамической матрицы по крайне мере один слой тугоплавкого металла, силицид тугоплавкого металла расположен на границе тугоплавкого металла и керамической матрицы.

Также технический результат достигается за счет того, что в способе получения высокотемпературного реакционносвязанного слоистого композита на основе SiC керамики, тугоплавких металлов и их силицидов путем пропитки жидким кремнием пористой углеродной матрицы, смесь порошков графита со связующим размещается поочередно со слоями фольги тугоплавкого металла, подвергается прессованию при давлении 200 кг/см², полимеризующему и коксующему отжигу и пропитке расплавом кремния.

Также технический результат достигается за счет того, что в смесь порошков графита с органическим связующим добавляется поливиниловый спирт в массовом соотношении 10:1, давление прессования составляет 100 кг/см².

Материал, основу которого составляет SiC керамика при условии присутствия слоя тугоплавкого металла, окруженного слоями силицида этого металла, обладает повышенными свойствами сопротивления разрушения в выбранном направлении, с ослаблением хрупкого характера разрушения материала при высокотемпературной нагрузке как за счет лучших показателей вводимого металла и его силицида с точки зрения прочности, так и за счет наличия периодической структуры.

Изобретение поясняется рисунками и примером использования.

Фиг. 1 Структура слоистого композита на основе карбида кремния и фольги молибдена;

Фиг. 2 Образец слоистого композита SiC/Nb/NbSi₂ в процессе испытаний (а) и диаграмма его разрушения (б);

Фиг. 3 Разрушенный образец высокотемпературного слоистого композита SiC/Ti/TiSi₂ по данному изобретению;

Фиг. 4 Профиль разрушения образец высокотемпературного слоистого композита (SiC/Mo/MoSi₂) по данному изобретению.

Пример. Получение, микроструктура и прочность образцов высокотемпературных реакционносвязанных слоистых композитов по группе изобретений с использованием молибдена, ниобия и титана.

Для получения композита с матрицей SiC/C/Si с содержанием фаз 40/50/10, соответственно, использовались: углеродный порошок 50 мкм в количестве 30 масс. %, углеродный порошок менее 50 мкм в количестве 20 масс. %, связующее в количестве 20 масс. %. Углеродные порошки получали дроблением и помолом отходов графита марки ЭГ-84М плотностью 1,73 г/см³. В качестве связующего использовали пульвербакелит марки СФПН-011Л по ТУ 2257-111-05015227-2006. Перемешивание углеродных порошков со связующим производилось в течение 30 минут на смесителе типа «пьяная бочка». После этого полученная смесь засыпалась в пресс-форму, чередуясь со слоями фольги молибдена, ниобия, или титана и подвергалась прессованию при давлении 200 кг/см². Затем заготовку подвергали термической обработке для полимеризации связующего, полимеризованный пакет отжигали при 900°С в инертной среде в течение 8 ч. Полученная после отжига заготовка пропитывалась расплавом кремния, в результате чего формировалась слоистая структура, в которой чередовались слои карбидокремниевой керамики, тугоплавкого металла и силицида металла, при этом последний обеспечивал связь металлических и керамических слоев.

Часть образцов была получена по варианту с подготовкой суспензии на основе смеси углеродных порошков с органическим связующим и поливинилового спирта. Порошки углерода и органического связующего вводили в поливиниловый спирт в массовом соотношении 10:1. Перемешивание производили на вибростенде в течение 5 мин. Полученную суспензию наносили на поверхность фольги молибдена, или ниобия, или титана и накрывали ответным слоем фольги. Операцию повторяли необходимое число раз. Полученные пакеты подвергали прессованию при значении давления 50 кг/см² и сушке при температуре 100°С. Дальнейшая обработка заготовки проводилась по приведенному выше способу.

На Фиг. 1 показана типичная структура слоев в материале на границе остаточного непрерывного металлической слоя (образец с молибденом). В центре располагается слой тугоплавкого металла, на поверхности которого сформированы слои его дисилицида, они, в свою очередь, прочно связаны со слоями карбидокремниевой керамики

На Фиг. 2 показан образец трехслойного композита в процессе испытания и его кривая разрушения. Кривая разрушения имеет ступенчатый характер. При разрушении керамической компоненты в образце композита металлическая составляющая выполняет функцию стоппера для распространяющейся трещины, что обеспечивает дальнейшее сохранение несущей способности образца до полного его разрушения под действием внешней нагрузки.

На Фиг. 3 и Фиг. 4 показаны макро и микро фотографии разрушенных образцов композитов составов SiC/Ti/TiSi₂ и SiC/Mo/MoSi₂, соответственно, демонстрирующие ступенчатый характер разрушения.

В таблице 1 представлены усредненные значения разрушающего напряжения при высокой температуре, полученные в результаты испытаний образцов композитов с использованием различных металлов в сравнении с однородной керамикой, аналогичной SiC - керамике матрицы композита.

Реакционно-связанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов обладает высокими характеристиками прочности, сопоставимыми с керамическим материалом без армирования, при этом образцы композита при испытаниях демонстрируют ослабление хрупкого характера разрушения материала при высокотемпературной нагрузке.

Группа изобретений относится к области получения высокотемпературных композиционных материалов с керамической матрицей. Высокотемпературный реакционносвязанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов, включает SiC/C/Si керамическую матрицу и силицид тугоплавкого металла. В объеме SiC/C/Si керамической матрицы содержится, по крайне мере, один слой тугоплавкого металла, при этом силицид тугоплавкого металла расположен на границе тугоплавкого металла и керамической матрицы. Способ получения высокотемпературного реакционносвязанного слоистого композита на основе SiC керамики, тугоплавких металлов и их силицидов включает размещение смеси порошков графита со связующим поочередно со слоями фольги тугоплавкого металла, прессование при давлении 200 кг/см², полимеризующий и коксующий отжиг и пропитку расплавом кремния. Также в смесь порошков графита с органическим связующим может быть добавлен поливиниловый спирт в массовом соотношении 10:1, давление прессования при этом составляет 100 кг/см². Применение данной группы изобретений позволяет повысить прочность и сопротивление разрушению керамометаллических композитов, увеличить размеры получаемых изделий. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Высокотемпературный реакционносвязанный слоистый композит на основе SiC керамики, тугоплавкого металла и его силицидов, включающий SiC/C/Si керамическую матрицу и силицид тугоплавкого металла, отличающийся тем, что в объеме SiC/C/Si керамической матрицы имеется, по крайне мере, один слой тугоплавкого металла, силицид тугоплавкого металла расположен на границе тугоплавкого металла и керамической матрицы.

2. Способ получения высокотемпературного реакционносвязанного слоистого композита на основе SiC керамики, тугоплавких металлов и их силицидов по п. 1, путем пропитки кремнием пористой углеродной матрицы, отличающийся тем, что смесь порошков графита со связующим размещается поочередно со слоями фольги тугоплавкого металла, подвергается прессованию при давлении 200 кг/см², полимеризующему и коксующему отжигу и пропитке расплавом жидкого кремния.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в смесь порошков графита с органическим связующим добавляется поливиниловый спирт в массовом соотношении 10:1, давление прессования составляет 100 кг/см².