Способ соединения материалов на основе нитрида кремния Советский патент 1992 года по МПК C04B37/00 

Изобретение относится к технологии соединения керамических материалов.

Известен способ соединения горячеп- рессованных материалов на основе нитрида кремния (см. авторское свидетельство СССР № по заявке № 4632990/33, 89 г. С 04 В 37/00).

Недостатком этого способа является ограничение возможности соединения нитри- докремниевых материалов способом получения керамики. Этот способ соединения применим лишь для керамику полученной способом горячего прессования, позволяющим получать изделия только простых форм.

Целью настоящего изобретения является расширение технологических возможностей соединения нитридокремниевых материалов независимо от способов получения, а также расширения номенклатуры соединяемых изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе соединения горячеп- рессованных материалов,включающем шлифовку соединяемых поверхностей, сборку,

нагрев до температуры 1300-1500°С под давлением азота 10-200 МПа с изотермической выдержкой в течение одного часа, согласно изобретению после сборки соединяемых поверхностей осуществляют предварительный нагрев в вакууме до Т 1200-1300°С со скоростью 10-30°С/мин.

Нитридокремниевые материалы, полученные методом горячего прессования, в поверхностном слое содержат некоторую часть свободного кремния, для материалов, полученных другими способами (спекание, газостатическое уплотнение, компрессионное спекание и др.) это не характерно.

Для реализации механизма соединения через синтез нитрида кремния при азотировании в режиме горячего прессования необходимо обеспечить химический состав поверхности нитридокремниевых материалов, полученных различными способами, близкий к тому, который получается после горячего прессования, т.е. обеспечить наличие на поверхности свободного кремния.

Эта задача решается в процессе нагрева в вакууме до температуры 1200-1300°С

СП

С

VI Os

СО

N ю ел

со скоростью нагрева 10-30°С/мин, когда начинается диссоциация нитрида кремния с образованием свободного кремния.

Указанные параметры позволяют получить в поверхностном слое изделий включения свободного кремния. После достижения указанной температуры с заданной скоростью в рабочую зону нагнетают азот до требуемого давления с последующим выходом на температурный режим, обеспечивающий экзотермическую реакцию синтеза, посредством которой происходит соединение.

Следует отметить, что осуществление нагрева в вакууме до температуры ниже 1200°С не позволяет получить необходимую концентрацию свободного кремния в поверхностном слое, и в итоге соединение изделий не происходит.

Нагрев в вакууме выше 1300°С обеспечивает восстановление необходимой части кремния, однако ведет с одной стороны к порообразованию, что исключает возможность прочного соединения, а с другой сто- роны затрудняет или исключает возможность возгорания свободного кремния, из-за укрупнения частиц кремния, которое происходит вследствие коагуляции мелких частиц.

Осуществление нагрева со скоростью менее 10°С/мин ведет к порообразованию вследствие вовлечения в процесс диссоциации больших массивов приповерхностного слоя.

При осуществлении нагрева со скоростью более 30°С/мин необходимое количество свободного кремния не образуется, поскольку нитрид кремния не поверхности не успевает диссоциировать.

Способ осуществляется следующим образом.

Изделия изготавливаются различными методами (спекание, горячее прессование, газостатическое уплотнение и др.); соединяемые поверхности шлифуются: изделия помещают в тигель, накладывая друг на друга соединяемые поверхности; тигель помещают в рабочую зону газостата или печи высокого давления; из газостата или печи откачивают воздух до вакуума ат; после этого включают нагреватели, Нагрев осуществляют со скоростью 10-30 с/мин до температуры 1200-1300°С; затем в рабочую зону газостата или печи высокого давления компрессорами нагревают азот до давления 10-200 МПа; после этого повышают температуру до 1300-1500°С; осуществляют изотермическую выдержку в течение часа; охлаждают изделия вместе с газостатом или

печью; затем стравливают азот и вынимают монолитную конструкцию.

Все остальные аспекты процесса идентичны сп особу-прототипу.

Пример. Проводили соединение двух

образцов нитридокремниевой керамики, один из них получен методом высокотемпературного газостатического уплотнения, второй - методом спекания с последующей

шлифовкой для получения требуемого размера.

Образцы накладывали друг на друга, помещали в тигель, который вставляли в рабочую зону газостата. Из рабочей зоны

откачивали воздух до вакуума 10 ат., после чего включали нагреватели. Нагрев осуществляли со скоростью 20°С/мин до температуры 1250°С. После этого компрессорами нагнетали азот до давления 100 МПа с последующим подъемом температуры до 1450°С с изотермической выдержкой в течении 1 часа. Затем со скоростью 10°С/с осуществляли охлаждение до комнатной температуры и стравливали азот. Вынутые

из рабочей зоны образцы представляли собой монолитный материал, что подтверждено исследованиями на оптическом и растровом электронном микроскопах, мик- рорентгеноспектральном анализаторе.

С тем же материалом проводили те же операции при граничных и при выходе за граничные значения заявляемых режимов. Данные сведены в таблицу.

Предлагаемый способ позволяет повысить качество соединения. В способе-прототипе реакция происходит на контакте двух поверхностей горячепрессованных материалов с включениями свободного кремния различной дисперсности, поскольку при горячем прессовании изотермическая выдержка осуществляется под механическим одноосновным давлением без присутствия азота и создаются условия для островкового образования крупных поликристаллических

образований наряду с мелкодисперсными кристаллическими включениями. В процессе реакции крупные включения кремния не успевают прореагировать, вследствие быстрого прекращения доступа азота в закрывающийся шов и сохраняются в нем . Это повышает вероятность хрупкого разрушения при долговременных циклических нагрузках. Предлагаемый способ, применяемый для нитридокремниевой керамики, полученной любым способом, свободен от этого недостатка, поскольку материалы, полученные спеканием или газостатическим уплотнением/фактически не имеют свободного кремния. Его появление

на поверхности изделия контролируется параметрами предварительного нагрева.

Предлагаемый способ позволяет реализовать все преимущества прототипа перед аналогами для всего круга нитридокремни- евых материалов в отличие от узко ограниченных горячепрессованных в прототипе. Таким образом возникает возможность соединения крупногабаритных, сложнопро- фильных изделий, которые методом горячего прессования получить невозможно, поскольку здесь осуществляется одноосновное приложение давления и возможные только простые плоские формы, а для спекания предварительно сформованных изде- лий никаких ограничений формы нет. Кроме того свойства материалов, полученных методом высокотемпературного газостатического уплотнения, а в ряде случаев и другими методами выше, чем после горяче- го прессования.

Таким образом экономический эффект предложенного способа по сравнению с прототипом опосредован через применение новых технологий изготовления составных частей из нитридокремниевой керамики и снижения доли обработки, необходимой для получения требуемой геометрии изделия.

Формула изобретения Способ соединения материалов на основе нитрида кремния, включающий шлифовку соединяемых поверхностей, сборку, нагрев до 1300-1500°С под давлением азота 10-200 МПа с изотермической выдержкой в течение 1ч, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, после сборки соединяемых поверхностей осуществляют предварительный нагрев в вакууме до 1200-1300°С со скоростью 10-30 град/мин.

Использование: изобретение относится к технологии соединения керамических материалов. Сущность изобретения: способ включает шлифовку соединяемых поверхностей, сборку, предварительный нагрев в вакууме до 1200-1300°С со скоростью 10-30 град/мин и последующую термообработку при 1300-1600°С под давлением азота 10- 200 МПа с изотермической выдержкой в течение 1 ч. 1 табл.

Взяты два горячепрессованных образца нитридокремниевой керамики аналогичного состава.