Способ получения лёгкого керамического композита Российский патент 2025 года по МПК C04B35/563 C04B41/88 B82Y30/00 

Настоящее изобретение к области машиностроительной металлокерамики, в частности к высокопрочному износостойкому металлокерамическому материалу с керамической матрицей из карбида бора с относительной плотностью 2,2÷2,6 г/см³ (при импрегнировании алюминием) и способу его получения, который может быть использован для изготовления металлокерамических и керамических изделий, применяемых в качестве элементов летательных аппаратов, требующих низкий вес и высокую прочность, например, детали фюзеляжа.

Известен способ, описанный в патенте US 3725015 - получение композиционного материала на основе тугоплавкого соединения борида и/или карбида с веществом, содержащим углерод; формование из полученной смеси изделия необходимой формы; нагрев полученной заготовки для удаления углерода из углеродсодержащего вещества; введение в заготовку расплавленной металлической смеси, содержащей 75-99 об.% по крайней мере одного металла из группы, содержащей: S, Cr, Fe,Ni, Ti и 1-25 об.% металла или смеси из группы Al, Сu, Со, Fe и 0-24 об.% металла, входящего в состав исходного тугоплавкого материала.

Данное изделие представляет собой по крайней мере трехфазную систему, состоящую из спеченного тугоплавкого соединения из группы: карбид бора, силицид бора, борид титана, карбид титана или их смеси; по крайней мере одного карбида металла, заполняющего пространство между частицами, из группы, включающей: карбид кремния, карбид кобальта, карбид хрома, карбид железа, карбид алюминия, карбид никеля, карбид бериллия, карбид бора, их смесь; из сплава, состоящего, по крайней мере, из 2-х металлов, заполняющего оставшуюся часть пространства между частицами, при этом один из металлов тот же, что входит в состав исходного тугоплавкого компонента, а другой из группу: Al, Сu, Со, Fe или их смеси. Пористость в заготовке составляет 10÷40 об.%, карбид металла занимает 5÷35 об.% пространства между частицами, оставшуюся часть пространства (до 35 об.%) занимает сплав. Описанный способ сложен в реализации, т.к. требует точных количеств добавок компонентов формовочной смеси и расплавов металлов, а также требования к поддержанию высоких температур. Заготовки обладают большой усадкой, поэтому в процессе спекания возможно образование закрытой пористости, приводящей к неравномерности структуры, кроме того возможно разрушение заготовки в случае большого различия коэффициентов теплового расширения.

Известен другой способ изготовления композитного изделия на основе карбида бора RU 2130441. В котором пористую заготовку формуют с пористостью 20÷60 об.% из порошкообразного карбидообразующего металла, с последующей термообработкой в среде газообразного углеводорода или смеси углеводородов при температуре, превышающей температуру их термического разложения, до увеличения массы заготовки по меньшей мере на 3%, после чего в заготовку вводят расплав одного металла из группы, включающей следующие металлы: Ag, Au, Сu, Ga, Ti, Ni, Fe, Co или сплава на основе металла из указанной группы.

В качестве карбида металла используют металл из IV, V или VI групп Периодической системы, например Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, a термообработку осуществляют в среде одного углеводорода из группы, включающей ацетилен, метан, этан, пропан, пентан, гексан, бензол, их производные. В качестве смеси углеводородов для термообработки используют, например, природный газ при температуре 750÷950°С.

Недостатком получения данного композитного материала является сложность физико-химических процессов, которые могут проходить не полностью, что будет в дальнейшем влиять на свойства конечного изделия, кроме того процесс является многостадийным и требует сложного оборудования, как для проведения процессов, так и контроля.

Наиболее близким аналогом по составу исходных компонентов и применения, выбранным в качестве прототипа, является патент RU 2173307 «Способ получение тугоплавкого композиционного карбидосодержащего изделия», включающий формование пористой заготовки из шихты, содержащей карбидообразующее вещество, ее термообработку в среде газообразного углеводорода или смеси углеводородов при температуре, превышающей температуру их термического разложения, и заполнение полученной заготовки металлическим расплавом, отличающийся тем, что в качестве карбидообразующего вещества используют бор, кремний или их смесь, шихту готовят из карбидообразующего вещества или его смеси с карбидами кремния или бора, термообработку проводят до увеличения массы заготовки на 8÷42%, после чего заготовку нагревают в инертной среде при 1300÷1800°С, а импрегнирование осуществляют расплавом металла из группы Аl, Mg, Сu или сплава на основе металла из указанной группы.

Недостатком данного способа изобретения является сложность проводимого процесса образования пироуглерода и сложность контроля увеличения массы заготовки, кроме того отсутствие операции полного удаления временного связующего (смеси поливинилпирролидона, полиэтиленгликоля и олеиновой кислоты) может при термообработке произойти образование пироуглерода в порах не из углеводорода, а из временного связующего, что негативно повлияет на образование пор в матрице.

Задачей (технический результат), на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение изготовления композитного материала на основе карбида бора, снижение веса конечного изделия и увеличение физико-механических свойств.

Поставленная задача достигается за счет использования легкой керамической карбидной матрицы плотностью 1,8 г/см³ со сквозной пористостью не менее 50%, изготовленной из пресс-порошка, содержащего 0,1÷3 масс.% однослойных и/или многослойных углеродных нанотрубок, порошка карбида бора и временного связующего, содержащего в своем составе полиэтиленгликоль 1÷5 масс.% и поливинилпирролидон 1÷5 масс.%, ее формованием, удалением временного связующего при температуре 100÷200°С в объеме порошка глинозема с дисперсностью менее 45 мкм, с последующей термообработкой при температуре 1800÷2200°С в среде инертного газа, и импрегнировании полученной заготовки расплавом металлов Al, Mg, Ti, Fe, Cr, Zr или сплавами перечисленных металлов. После этого поверхность детали очищают от наплывов металла и, при необходимости, шлифуют.

После затвердевания металла, происходит формирование связи между трехмерными керамическим и металлическим каркасом. Конечные физико-механические характеристики зависят от материала импрегнирования и сквозной пористости керамической карбидной матрицы.

Полученный сверхлегкий керамический композитный материал с повышенными прочностными характеристиками может быть использован для изготовления металлокерамических и керамических изделий, применяемых в качестве элементов летательных аппаратов, требующих низкий вес и высокую прочность, например, детали фюзеляжа, а также как вставки-заменители узлов из металлов.

Изобретение раскрывается в ниже приведенном примере.

Пример

В качестве основного сырья используют порошок карбида бора со средним размером частиц 3 мкм и наличием частиц, имеющих наноразмер. С помощью распылительного сушила из порошка карбида бора создают пресс-порошок. В процессе получения пресс-порошка, вместе с временным связующим веществом (полиэтиленгликоль - 5 масс.% и поливинилпирролидон - 2,5 масс.%) вводят углеродные нанотрубки в количестве 0,2 масс.%.

В результате, получают пресс-порошок, в каждой грануле которого содержатся углеродные нанотрубки, что обеспечит равномерное распределение углеродных нанотрубок в керамической матрице. Затем пресс-порошок прессуют методом холодного осевого прессования для получения детали-заготовки, из которой с помощью механической обработки получают детали требуемой формы. После холодного прессования сырую деталь или заготовку размещают в печь для удаления временного связующего при температуре 100÷200°С в объеме порошка глинозема с дисперсностью менее 45 мкм, после удаления временного связующего деталь или заготовку размещают в вакуумной печи, в которой происходит свободное спекание при температуре 1900÷2100°С. Пористость после спекания должна быть на 1÷5% меньше чем у сырой детали. После спекания получают пористую керамическую матрицу, которая обладает прочностью при изгибе 250÷350 МПа. Полученную керамическую матрицу импрегнируют алюминием путем нанесения на нее порошка металла (количество которого рассчитывается из плотности спеченной керамической матрицы) и повторно загружают в печь. Импрегнирование идет при температуре выше температуры плавления алюминия (более 660°С). После этого поверхность детали очищают от наплывов металла и, при необходимости, шлифуют. Полученный керамический композит имеет относительную плотность 2,2÷2,6 г/см³ и прочность при изгибе не менее 600 МПа.

Вышеприведенный пример доказывает, что по сравнению с прототипом способ более простой в исполнении, полностью происходит удаление органического связующего и получение более прочного композита.

Применение данного способа изготовления, позволяет изготавливать металлокерамические композиты с широким спектром физико-механических характеристик, характеристики которых зависят от материала импрегнирования, кроме того данный способ позволяет производить композит как в больших, так и в малых количествах за счет простого оборудования и доступного сырья и, следовательно, снижения себестоимости.

Изобретение относится к созданию высокопрочного износостойкого керамического композитного материала, который может быть использован для создания легких и высокопрочных деталей машин и агрегатов в аэрокосмической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности. Способ получения керамического композита включает изготовление пресс-порошка, содержащего порошок карбида бора, поливинилпирролидон, полиэтиленгликоль и углеродные однослойные и/или многослойные нанотрубки, формирование заготовки из пресс-порошка, удаление органической фазы из прессовки при температуре 100÷200°С в объеме порошка глинозема с дисперсностью менее 45 мкм, ее термообработку при температуре 1800÷2200°С в среде инертного газа. Полученную заготовку с открытой пористостью 50-60 об.% пропитывают расплавом металлов Al, Mg или их сплавов путём плавления навески металла на поверхности заготовки. Технический результат – упрощение изготовления изделия на основе карбида бора, снижение веса конечного изделия и увеличение физико-механических свойств. 3 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ получения керамического композита, включающий изготовление пресс-порошка, содержащего порошок карбида бора со средним размером частиц 3 мкм и наличием наноразмерных частиц, поливинилпирролидон, полиэтиленгликоль однослойные и/или многослойные углеродные нанотрубки 0,1-3 масс.%, формирование заготовки из пресс-порошка, удаление органической фазы из прессовки при температуре 100-200°С в объеме порошка глинозема с дисперсностью менее 45 мкм, ее термообработку при температуре 1900-2200°С в среде инертного газа и пропитку полученной заготовки расплавом металлов Al, Mg или сплавами перечисленных металлов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заготовка после обжига имеет открытую пористость 50-60 об.%.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что формирование осуществляют осевым прессованием.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пропитка заготовки осуществляется плавлением навески металла или сплава на поверхности заготовки.