Способ получения композиционного керамического материала Советский патент 1993 года по МПК B22F3/26 C04B35/65 

ел

с

Сущность изобретения: берут первую жесткую керамическую заготовку, содержащую поликристаллический продукт реакции окисления, полученный путем окисления первого расплавленного исходного металла первым окислителем и имеющий поры, доступ к которым по крайней мере частично имеется с одной или более поверхностей заготовки. В контакте с первой керамической заготовкой размещают второй исходный металл и осуществляют реакцию его окисления с помощью парообразного окислителя. При этом формируют второй поликристаллический продукт реакции окисления в порах первой керамической заготовкой. 9 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу преобразования первой жесткой керамической структуры, содержащей первый поликристаллический материал, перемещающийся с вторым поликристаллическим материалом, который входит в некоторые поры первой кристаллической структуры. Изобретение относится к жестким керамическим структурам, образованным в результате реакции окисления первого и второго исходного металла.

Целью изобретения является повышение плотности и улучшение физико-механических свойств керамического материала.

На фиг. 1 показан общий вид керамического материала, имеющего промежуточные поры и включения металла: на фиг. 1,а - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 2 - частичный разрез керамического материала по фиг. 1 после удаления части металлических включений; на фиг. 3 - керамический материал в инертной ванне, помещенной в тигель, который должен быть помещен в печь для выпаривания включений металла; на фиг. 4 - керамический материал, погруженный в растворитель для удаления металлических включений; на фиг. 5.-соединение первого керамического материала, на который помещен второй исходный металл, помещенное в инертную ванну и тугоплавкий сосуд; на фиг. 6-10 - фотографии с увеличением 400 поперечного сечения образцов.

В соответствии с данным изобретением первый керамический материал изготавливается пористым/Поры по крайней мере частично открыты или к ним имеется доступ с наружной поверхностью (или поверхностей), или этот доступ обеспечивается путем последующей обработки. Значительное количество промежуточных пор заполнено,

00

о XI ю

ел

пропитано, пронизано вторым поликристаллическим материалом, который объединяется с первым, благодаря чему преобразуются, улучшаются или появляются новые свойства первого керамического материала. Хотя ниже описано изобретение с алюминием в качестве первого и второго исходного материала, должно быть понятно, что могут использоваться и другие металлы, такие как кремний, титан, олово, цирконий, гафний.

Как показано на фиг. 1, вначале берут жесткую заготовку из первого поликристаллического керамического материала, которую изготавливают любым способом, описанным в прототипе. В соответствии с этим первый исходный металл, например алюминий, используется в качестве заготовки для первого продукта реакции окисления. Первый исходный металл расплавляют при температуре, близкой к температуре среды первого окислителя. При этой температуре или внутри этого температурного диапазона первый расплавленный исходный металл реагирует с окислителем, образуя первый поликристаллический продукт реакции окисления. По крайней мере часть первого продукта реакции окисления находится в контакте и между расплавленным первым исходным металлом и первым окислителем, при этом первый расплавленный исходный металл проходит через первый продукт реакции окисления и входит в соприкосновение с первым окислителем. Благодаря этому первый продукт реакции окисления продолжает образовывать промежуточное вещество между первым окислителем и ранее образованным первым продуктом реакции окисления. Реакция продолжается в течение времени, достаточ- ногодля образования первого поликристаллического керамического материала 2, содержащего первый продукт реакции окисления, имеющий поры 3, и/или промежуточные металлические вкрапления 4 (фиг. 1,а). Промежуточные металлические вкрапления 4, которые далее для простоты называются металлом или металлическими включениями 4, содержат неокисленные составляющие исходного металла и могут содержать катализатор или другие металлические вкрапления. Промежуточные поры 3 и промежуточные металлические вкрапления 4 соединены в одном или более измерениях и распределены по части или по всему объему первого поликристаллического материала. Эти поры 3 и металл 4, образуемые при формировании первого поли кристаллического продукта реакции окисления, по крайней мере частично открыты или к ним

имеется доступ по крайней мере с одной поверхности 5 первой керамической структуры 2 или этот доступ может быть обеспечен путем обработки или раскола структуры. Некоторые из пор 3 и частиц металла 4 могут быть изолированы, как острова. Объем пор 3 (промежуточных и изолированных) и металлических вкраплений 4 (промежуточных и изолированных) зависит в значительной степени от таких факторов, как температура, время, катализаторы, тип первого исходного металла, используемого при изготовлении первой керамической структуры 2.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения вся или большая часть включений металла 4 должна быть удалена для получения первой жесткой заготовки из керамического материала 2, имеющего промежуточные поры 3, распределенные по части или по всему объему поликристаллического материала, как показано на фиг. 2. Для удаления всей или большей части включений металла 4 реакция окисления должна быть завершена. Поэтому, когда металлическая фаза полностью прореагирует или будет близка к этому при образовании продукта реакции окисления, металлические включения 4 вытягивают из керамической структуры 1, оставляя промежуточные поры 3 на их месте, и окисляют для получения дополнительной керамики на его поверхности (поверхностях) 5. Когда процесс приближается к завершению, продукт реакции окисления будет занимать больший объем пор 3. Например, заготовка их первого керамического материала, сформированная из алюминия, обрабатываемого при 1125°С, может содержать 20-30 об. % металла 4 и 2-5 об. % пор 3. Когда рост останавливается, до того как весь первый исходный металл окислится, при завершении окисления всего исходного металла керамика может содержать примерно 1-3 об. % металлических вкраплений 4 и примерно 25-30 об. % (или больше) пустот или пор.

Второй метод удаления металлических включений 4 заключается в том, что заготовку из первого керамического материала рас- полагают в инертной ванне 6, которую помещают внутрь тигля или другого жаропрочного контейнера 7 (см. фиг. 3). Затем контейнер 7 и его содержимое помещают в печь с инертной атмосферой (например, с аргоном или любым другим инертным газом) и нагревают до температуры, при которой металлические вкрапления 4 сильно испаряются. Эта температура или интервал температур зависят от таких факторов. состав первого исходного металла, время

нагревания и окончательный состав металлических вкраплений 4 в первом керамическом материале. При подходящей температуре включения металла 4 испаряются из керамической структуры, но дополнительного продукта реакции окисления образовываться не будет из-за инертной атмосферы. За счет поддержания этой температуры включения металла продолжают испаряться и удаляться из печи с помощью вентиляции.

Третье средство удаления включений металла 4 заключается в том, что заготовку из первого керамического материала 2 погружают в подходящую щелочь 8 и растворяют включения металла 4 (см. фиг. 4). В качестве растворителя 8 может быть использована любая кислотная или каустико- вая жидкость или газ, состав которых зависит от таких факторов, как состав металла 4, время погружения и т.п. В случае использования в качестве первого исходного металла алюминия, когда включениями металла 4 являются включения алюминия, было обнаружено, что подходящим кислотным раствором является HCI. Если керамический материал содержит кремний, то приемлемым является раствор NaOH и/или КОН в качестве каустикового раствора. Время погружения заготовки керамического материала в щелочь 8 определяется количеством и типом металлической составляющей 4 и местом расположения включений металла 4 относительно поверхности (поверхностей) 5. Чем глубже расположены включения металла 4 в керамической заготовке 2, тем дольше такой металл выщелачивается и тем дольше заготовка из керамического материала должна находиться в щелочи 8. Данный этап удаления металла может быть ускорен путем нагревания щелочи или путем перемешивания ванны с щелочью. После того как заготовка из первого керамического материала 2 вынута из щелочи 8, ее необходимо промыть водой для удаления остатков щелочи.

После того как будет удален весь металл 4, получают заготовку с первой жесткой керамической структурой 2, которая содержит поликристаллический продукт реакции окисления, обра зованный при окислении расплавленного исходного металла окислителем и имеющий промежуточные поры 3, которые занимают примерно 5-45 об. % заготовки с первой керамической структурой 2.

Второй поликристаллический материал образуют из второго исходного металла путем его окисления во втором парообразном окислителе в процессе, аналогичном процессу, применяемому при получении заготовки с первой кристаллической структурой, при этом второй исходный металл в заготовке с первой керамической структурой ориентированы так по отношению друг к другу, что образующийся второй поликристаллический материал пропитывает по крайней мере часть пор первого кристаллического тела. Процесс пропитки может быть ограни0 чек первой зоной заготовки с первой керамической структурой Либо может проходить по всему объему заготовки с первой керамической структурой. Когда процесс проникновения второго поликристаллического

5 материала ограничен первой зоной загото- ви с первой керамической структурой, вторая непропитываемая зона первой керамической заготовки содержит поры, не подверженные проникновению второго по0 ликристаллического материала. Вторая непропитываемая зона, следовательно, имеет большую пористость, чем первая зона керамической заготовки, которая подверглась пропитке.

5 Другой технологией является удаление металлических вкраплений 4 только из первой зоны первой керамической заготовки 2 или удаление более полезных вкраплений из первой зоны, чем из второй зоны первой

0 керамической заготовки 2. Это может быть надежно обеспечено, например, путем погружения только части первой керамической заготовки 2 в щелочь 8 (фиг. 4).

Второй поликристаллический материал

5 формируют по технологии, описанной в прототипе. Данный способ в качестве примера приведен на фиг. 5. Первая керамическая заготовка 1 помещена в инертную ванну 6, установленную в жаропрочном контейнере

0 7. Второй исходный металл 9 расположен сверху на второй керамической структуре 1. Поры 3 выходят на поверхность 5 первой керамической заготовки 1. Сборку, показанную на фиг. 5, нагревают до требуемой тем5 пературы, которая выше точки плавления второго исходного металла 9, но ниже температуры как первого продукта реакции окисления первой керамической заготовки 1, так и второго продукта реакции окисле0 ния второго исходного металла 9. Эту сборку нагревают в окисляющей среде, например в воздушной атмосфере, и за счет своего роста второй поликристаллический материал проникает в поры 3 первой кера5 мической структуры 1. Рост продолжается до заполнения пор до требуемой глубины, например, через всю первую керамическую структуру 9 или до требуемой глубины в ней, После завершения реакции сборку охлаждают и полученную керамическую композитную структуру отделяют от наполнителя и остающегося второго исходного металла 9, если это необходимо.

Для иллюстрации способа по настоящему изобретению приводятся следующие примеры.

Пример 1. Керамические материалы, содержащие промежуточные поры, были получены по способам, описанным в прототипе. Следовательно, прямоугольные слитки, каждый из которых имеет размеры 101,6x228,6x38,1 мм, были приготовлены из алюминиевого сплава 5052, содержащего 3-4% магния и не более 0,5% кремния и железа. Каждый слиток отдельно размещен в засыпке из частиц окиси алюминия в жаропрочном тигле. Поверхность алюминиевого слитка 101,6x228,6 мм была расположена от поверхности ванны на расстоянии, приблизительно на 6,4 мм ниже отверстия тигля. Тонкий слой частиц SI02 крупностью 140 был размещен на поверхности слитка в качестве катализатора для ускорения реакции.

Тигель и его содержимое были помещены в печь, где их нагревали в воздухе при 1125°С и задерживали в течение 160 ч. За это время AI полностью окисляется, за счет чего возникает керамика альфа-окиси алюминия с промежуточными порами. Охлаждение продуктов окисления металла производят в течение 10ч.

Высокая пористость продукта окисления была подтверждена исследованиями микроструктуры отполированного поперечного сечения, как показано на фиг. 6 на фотографии при увеличении 400, на который серый материал представляет собой окись альфа-алюминия, светлый материал представляет собой либо кремний (яркий), либо алюминий (пестрый), а темные области представляют собой поры. Содержание кремния или алюминия оценивается примерно в 3 об. %.

Затем был продемонстрирован процесс пропитки полученного керамического материала продуктом реакции окисления с использованием двух различных исходных сплавов алюминия. Для этого из пористой керамики были вырезаны бруски размерами приблизительно 50,8x19,05x12,7 мм. Расположение нарезаемых брусков выбрано так, чтобы исключить присутствие слоев с ребрами на исходной внутренней поверхности керамики или любых других слоев повышенной плотности на наружной поверхности. Заготовки из сплава алюминия, имеющие размеры 50,8x25,4x12,7 мм, были размещены по отдельности наверху прямоугольных брусков керамики. Причем грань

керамической заготовки 50,8x19,06 мм контактирует с гранью заготовки из металла 50,8x50,8 мм.

Использованы два различных сплава

алюминия: сплав 712,2, содержащий 5,0- 6,5% Zn, 0.5-0,65% Mg, 0,4-0,6% Cr, 0,4% Fe, 0,25% Си, 0,15-0,25% Ti, 0,15% Si и 0,1 % Mn, и сплав 380,1, содержащий 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Си, 2,97% Zn, 1,0% Fe, 0,5% Mn,

0,5% Ni, 0,35% Sn и 0,1% Mg. Однако было обнаружено, что сплав 380,1, используемый в данной работе, содержит примерно 0,17- 0,18% Mg. Полагают, что необходимо увеличить содержание Mg для ускорения реакции

окисления.

Сборки-керамика (сплав, описанный выше) поместили в раздельные жаропрочные тигли и окружили слоем волластонита толщиной примерно 12,7 мм. Волластонит используется как барьер для удержания расплавленного сплава и ограничения реакции окисления пространством пор керамической структуры.

Тигли и их содержимое поместили в

печь и нагрели в воздушной атмосфере до 900°С в течение 5 ч. Образцы выдерживали при этой температуре в течение 30 ч и затем охладили до комнатной температуры в течение 5 ч. Охлажденные керамические

образцы были извлечены из формы и просмотрены на отсутствие видимых изменений внешнего вида и геометрических размеров.

Керамические образцы были рассечены, закреплены, отполированы и установлены для оптического наблюдения. Проверка показала хорошее проникновение керамики в поры, как сплава 380,1, так и 712,2. На фиг. 7 и 8 показаны результаты для сплавов

380,1 и 712,2 соответственно при 400-кратном увеличении. Обратите внимание на то, что продукт второй реакции заполняет поры исходной керамики (фиг. 6). Результатом является значительно более плотная керамика

по сравнению с той керамикой, в которой имеются только изолированные поры.

Пример 2. Этот пример показывает проникновение продукта реакции окисления в поры керамического материала, приготовленного при иных условиях, чем в примере 1. В данном случае пористое тело было изготовлено путем окисления сплава, содержащего (по весу) 10% кремния, 3%

магния, остальное - алюминий, при 1250°С в течение 80 ч. Во всем остальном процесс приготовления исходной пористой керамики аналогичен процессу по примеру 1, Микроструктура этого материала показана на. фиг. 4 при увеличении 400.

Проникновение продукта реакции окисления в поры следовало за процессом по примеру 1 с использованием сплава 712,2 при 900°С. На фиг. 10 показано поперечное сечение полученного материала при увеличении 400. Было обнаружено, что процесс проникновения не завершался в течение 30 ч при 900°С. На фиг, 10 показано различие между пропитанным и непропитанными материалами (соответственно слева и справа фиг.). Как и в примере 1 обнаружено, что пропитанный материал содержит продукт реакции окисления, заполняющий поры первой керамической заготовки,

Как указано, первую керамическую заготовку изготавливают из подходящего первого исходного металла по способу, описанному в прототипе. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения композит изготавливают с использованием массы или слоя наполнителя, расположенного вблизи и в контакте с поверхностью первого исходного металла, и процесс продолжается до тех пор, пока продукт реакции окисления не проникнет через слой наполнителя до его границ, выполненных из подходящего материала. Масса наполнителя, которая предпочтительно имеет форму брикета, является достаточно пористой или проницаемой для, окислителя в случае использования парообразного окислителя. Наполнитель является проницаемым и контактируете первым исходным металлом, обеспечивая рост продукта реакции окисления внутри наполнителя. В другом варианте первый окислитель может быть помещен внутри наполнителя или может содержаться в наполнителе. Наполнитель может содержать любой подходящий материал, такой как частицы, порошок, пластинки, полые частицы, сферы, спирали и т.п., которые обычно являются керамическими материалами. Более того, слой наполнителя может содержать решетку, укрепленную стержнями, пластинами или провдлокой. Обычно эти поликристаллические керамические структуры, включая керамические композиты, поликристаллические продукты реакции окисления, соединены между собой, а поры и/или металлические вкрапления по крайней мере частично соединены между собой и к ним имеется доступ с наружной поверхности керамической структуры.

Катализатор, используемый с одним из исходных металлов или с обоими, может в некоторых случаях существенно улучшить процесс окисления, особенно в процессе, где применяется в качестве исходного металла алюминий. Действие катализатора зависит от ряда таких факторов, которые не зависят от материала катализатора. К таким факторам относятся, например, комбинация частиц катализатора, когда два или бо- 5 лее катализаторов используются вместе, будучи сплавленные с исходным металлом, концентрация катализатора (катализаторов), окислительная среда и условия протекания процесса.

0 Присадка или присадки, используемые вместе с первым и/или вторым исходным металлами 1) могут быть сплавлены с исходным металлом, 2) могут быть нанесены по- крайней мере на часть поверхности исход5 ного металла или 3) при использовании наполнителя могут быть внесены как часть материала наполнителя или брикета или в любой комбинации по двум или более технологиям (1), (2), .(3). Например, присадка в

0 виде сплава может быть использована сама по себе или в комбинации с второй дополнительной присадкой, При использовании технологии (3), когда в материал наполнителя вносится одна или несколько дополни5 тельных присадок, процесс может функционировать по любому из способов, описанных в прототипе.

При использовании в качестве исходного металла алюминия ив качестве окислите0 ля воздуха присадки могут содержать магний, цинк и кремний по отдельности или в комбинации Один с другим, или в комбинации с другими присадками, как описано ниже. Эти металлы или подходящие источники

5 этих металлов могут быть сплавлены с исходным алюминием при концентрации каждого примерно 0,1-10 вес. % от суммарного веса полученного металла с добавками. Эти добавки или подходящие их источники (на0 пример, MgO, ZnO или SlOa) могут также быть использованы в виде внешних добавок к исходному металлу. Следовательно, заготовка с керамической структурой из окиси алюминия может быть получена при ис5 пользовании алюминиево-кремниевого сплава в качестве исходного металла, при использовании воздуха в качестве окислителя и при использовании MgO в качестве поверхностной добавки в количестве, боль0 шем чем, примерно, 0,0008 г на грамм исходного металла, который должен быть окислен, или больше чем 0,003 г/см2 поверхности исходного металла, на которую наносится MgO.

5 Другими присадками, эффективно рабо- тающими с алюминием, окисляемым в воздухе, являются натрий, германий, свинец, олово, литий, кальций, бор, фосфор, иттрий, которые могут быть использованы по отдельности или с другими добавками в зависимости от вида окислителя и условий протекания процесса окисления. Редкоземельные элементы, такие как церий, лантан, празодим, неодим и самарий, также пригодны в качестве присадок, особенно когда они используются в комбинации с другими присадками, Все присадки, как это указано в упомянутых патентных заявках, ускоряют процесс роста продукта реакции окисления алюминия, используемого в качестве исходного металла.

С первым исходным металлом может быть использован твердый, жидкий или парообразный (газ) окислитель или комбинация этих окислителей, а с вторым исходным металлом - парообразный окислитель. Например,типичные окислители содержат без ограничений кислород, азот, галогены, серу, фосфор, мышьяк, углерод, бор, селен, теллур и их соединения или комбинации, например окись кремния (как источник кислорода), метан, этан, пропан, ацетилен, этилен, пропилен (как источник углерода) и смеси, такие как воздух, Ha/HzO и СО/СО, причем последние (т.е. Нг/Н20 и CO/CCte) применяются для уменьшения активности кислорода.

Хотя любой окислитель может быть использован по описанной технологии, парообразный окислитель, который используется с вторым исходным металлом, предпочтительно использовать и с первым исходным металлом, однако следует осознавать, что в комбинации с первым исходным металлом могут быть использованы два или более вида окислителя. Окислитель, используемый для окисления второго исходного металла, является парообразным окислителем такого же вида, как и для окисления первого исходного металла или по крайней мере зоны заготовки, полученной из первого исходного металла, которая должна быть пропитана вторым поликристаллическим материалом, должна быть проницаема или сделана проницаемой путем последующей обработки. Парообразный окислитель проходит первую керамическую заготовку или определенную ее зону и вступает в контакт с вторым исходным металлом, окисляя его и образуя второй поликристаллический материал внутри пор первой керамической заготовки. В том случае, когда парообразный окислитель используется совместно с первым исходным металлом и наполнителем, наполнитель является проницаемым для парообразного окислителя, благодаря чему парообразный окислитель проникает до дна наполнителя и вступает в контакт с расплавленным исходным металлом. Термин парообразный

окислитель означает испаренный или обычно газообразный материал, который создает окисляющую атмосферу. Например, кислород или смесь газов, содержащая

кислород (включая воздух), являются предпочтительными парообразными окислителями, когда продуктом реакции является окисел, при этом воздух является более предпочтительным по экономическим соображениям, Когда указывается, что окислитель содержит конкретный газ или пар, это означает, что окислитель, в котором этот газ или пар находится в единственном числе, преобладает или по крайней мере является

преимущественным окислителем исходного металла при заданных условиях протекания процесса окисления. Например, хотя преобладающей составляющей воздуха является азот, кислородная составляющая является

единственным окислителем исходного металла, поскольку кислород значительно более сильный окислитель, чем азот. Следовательно, воздух надо называть кис- лородосодержащий газовый окислитель, а

не азотосодержащий газовый окислитель. Примером азотосодержащего газового окислителя, использованного в данном описании и формуле, является газ, который содержит по объему около 96% азота и около

4% водорода.

В том случае, когда вместе с первым исходным металлом и наполнителем используется твердый окислитель, он обычно распределен по всему объему наполнителя

или по той его части, в которой содержится керамический композитный материал в виде частиц, перемешанных с наполнителем, либо в виде покрытия на частицах наполнителя. Итак, может быть использован любой

подходящий твердый окислитель, содержащий такие элементы, как бор или углерод, или разлагаемые соединения типа двуокиси кремния или некоторых боридов с меньшей термодинамической стабильностью, чем бориды продукта реакции с исходным металлом. Например, при использовании с алюминием бора или разлагаемых боридов в качестве твердого окислителя продуктом реакции окисления является борид алюминия.

В некоторых случаях реакция окисления первого исходного металла может протекать настолько быстро при использовании твердого окислителя, что продукт реакции окисления будет стремиться испариться вследствие экзотермической природы реакции. Эта возможность может быть уменьшена за счет микроструктурной однородности керамического тела. Эта быстрая

реакция может быть замедлена добавлением в композицию относительно инертных наполнителей, которые имеют малую степень активности. Например, в качестве такого инертного наполнителя может быть использовано вещество, которое аналогично продукту реакции окисления.

В том случае, когда вместе с первым исходным металлом и наполнителем используется жидкий окислитель, этим окислителем пропитывают весь объем наполнителя или ту его часть, в которой находится керамическая структура. Например, наполнитель может быть покрыт окислителем путем погружения в окислитель и таким образом быть им пропитанным. Указание на жидкий окислитель означает, что окислитель находится в жидкой фазе в ходе протекания реакции окисления, и таким образом х идкий окислител ь может иметь твердую основу, такую как соль, которая расплавляется в ходе протекания реакции окисления. В другом варианте жидкий окислитель может иметь жидкую основу, например, раствор материала, который используется для пропитки части или всего наполнителя и который расплавляется или разлагается в ходе реакции окисления, обеспечивая необходимую текучесть. Примерами жидких окислителей являются расплавляемые стекла.

Вместе с наполнителем может быть установлен барьер, ограничивающий рост продукта реакции окисления, когда при формировании керамики используется парообразный окислитель. Этот барьер облегчает формирование керамики с определенными границами. В качестве барьера могут быть использованы материалы, соединения, элементы или подобные средства, ко- торые в ходе протекания процесса по изобретению сохраняют целостность и являются проницаемыми для парообразного окислителя, одновременно.способны ограничивать, приостанавливать, предотвращать дальнейший рост продукта реакции окисления. Для работы с алюминием могут быть использованы барьеры, содержащие сульфат кальция, силикат кальция и порт- ландский цемент или их смесь, которые обычно наносят в виде пасты на поверхность материала наполнителя. В состав материала этих барьеров могут входить также горючие материалы, которые исчезают при нагревании, или материалы, которые разлагаются при нагревании с тем, чтобы увеличить пористость и проницаемость барьера. Кроме того, материал барьера может содержать подходящие жаропрочные частицы для уменьшения разламываний и раскалываний, которые в противном случае возникают в ходе

протекания процесса. Такие частицы имеют такой же коэффициент расширения, что и материал наполнителя. Например, если брикет содержит окись алюминия и резуль- 5 тирующая керамика содержит окись алюминия, то в материал барьера могут быть замешаны частицы окиси алюминия желательно с размерами частиц 20-1000, а могут быть и меньше. Другие барьеры содержат

0 жаропрочную керамику или металлические оболочки, которые открыты по крайней мере на одном краю для пропускания парообразного окислителя через наполнитель в соприкосновение с расплавленным исходным

5 металлом.

П р и м е р 3. Этот пример иллюстрирует способ выщелачивания в газовой фазе для удаления взаимно связанного металлического компонента керамической заготовки

0 до стадии пропитки пор вторым продуктом реакции окисления согласно изобретению. Керамическую заготовку размером примерно 1,865x0,468 дюймов (4,73x1,12 мм), содержащую матрицу из окиси алюминия,

5 включающую неокисленные компоненты исходного металла, поместили сверху в огнеупорную лодочку, изготовленную из окиси алюминия чистотой 99,8%. Весь блок, состоящий из керамической заготовки и лодочки,

0 загрузили в трубчатую электрическую печь сопротивления, имеющую проточную атмосферу из HCI и Н2. Газ HCI подавали в количестве 500 ст. куб см/мин, а Н2 - в количестве 20 куб. см/мин, Скорость повышения темпера5 туры в печи составила примерно 300°С/ч, а понижение - примерно 500°С/ч. Образец поддерживали при температуре примерно 375°С в течение примерно 4 ч. После удале-, ния из печи образец взвешивали и было

0 определено, что потери в массе образца составили примерно 19,84% от его веса до выщелачивания. Напротив, лодочка, которая была изготовлена из того же материала, что и керамическая заготовка, но без взаим5 но связанного металла, показала незначительные потери в ее массе. Таким образом, потери в массе керамической заготовки происходили главным образом из-за выщелачивания металла, содержащегося внутри

0 керамической матрицы, а не из-за растворения самой керамической матрицы.

Таким образом, при применении выщелачивающего агента в газообразной фазе можно удалить включения металла из кера5 мического тела и, следовательно, обеспечить пористость, которую можно пропитать вторым продуктом реакции окисления в соответствии с изобретением.

П р и м е р 4. Процедуру, описанную в примере 3, повторили с двумя образцами

151807915 16

композиционного керамического материала, полученной в соответствии со способами, содержащего матрицу из окиси алюминия, раскрытыми в прототипе, из сплава исходно- состоящую из пропитанного неизмельченно- го металла, состоящего из 7,5-9,5 sec. % Si, го наполнителя С75. Также каждый образец 3,0-4,0% Си, 2,9% Zn, 1,5% Fe, 0,5% Mn, керамического композиционного материала 5 0-5% N1,0,35% ЗпиО, 18% Мд и содержащего содержал металлический компонент, пред- незначительное количество взаимосвязан- ставляющий собой неокисленные включения ного металла, исходного металла.Другая керамическая композиционная

Образцы керамического композици- заготовка (образец I) состояла из матрицы онного материала, каждый имеющий размер Ю из окиси алюминия, образованной из сплава 1 см х 1 см и 1 см, поместили на верх слоя алюминия с применением воздуха в качестве Алунда 38, размером 24 грит, причем все это окислителя, причем матрица окружает мате- содержалось в лодочке из чистотой риал наполнителя, состоящий из смеси 95 99,8%. Блок, состоящий из образцов, слоя и вес, % алунда 38 с размером частиц 24 грит, лодочки, поместили в трубчатую электриче- 15 полученного от фирмы Нортон Ко и 5 вес. % скую печь сопротивления, имеющую проточ- коллоидной двуокиси кремния Минусил, ную атмосферу из HCI и Н2. Газ HCI поставляемой американской фирмой Силика подавали в количестве 500 ст. куб. см/мин, Компани ов Беркли Спринт. Доля сплава а Н2 - 20 ст. куб. см/мин.380,1, применяемого для получения образца

Скорость повышения и понижения тем- 20 была определена химическим анализом в пературы в печи составила примерно соответствии с номинальными техническими 300°С/ч и время выдержки - примерно 4 ч условиями для этого сплава (т.е. он содержит при 1000°С. После удаления из печи образцы 7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Си, 2,0% Zn, 1,5% Fe, взвесили и было определено, что каждый об- 0,5% Мп, 0,5% N1, 0,35% Sn и 0,1% Мд) за разец потерял в массе примерно 11 % от его 25 исключением того, что концентрация Мд со- первоначального веса до выщелачивания. ставляет примерно 0,17-0,18 мае. %. Счита- Эти потери в массе были результатом удале- ется, что высокий уровень Мд является ния взаимно связанного металла посредст- важным ввиду установленной роли Мд в ка- вом выщелачивания в газовой фазе.честве присадки или катализатора реакции

Таким образом, при применении выще- 30 окисления.

лачивающего агента в газовой фазе можноОба образца содержали взаимосвязан- удалять взаимно связанный металл из кера- ный металлический компонент, представля- мической композиционной заготовки и, еле- ющий неокисленные компоненты их довательно, получить пористость, которую соответствующих исходных металлов, т.е. можно пропитать вторым продуктом реак- 35 712,2 алюминиевого сплава для образца I и ции окисления в соответствии с изобретени- сплава 380,1 для образца II. ем. . Образец погрузили в кипящую коррозиПример 5. Этот пример иллюстрирует онную среду, состоящую из примерно 50 об. % выщелачивание в жидкой фазе для удаления HCI, остальное дистиллированная вода. металлического компонента из керамиче-40 Образец II погрузили в кипящую корро- ской композиционной заготовки до проведе- зионную среду, состоящую из примерно ния стадии пропитки вторым продуктом 50 об. % HCI и примерно 10 об. % НМОз, реакции окисления в соответствии с заяв- остальное дистиллированная вода. ленным способом.Состав растворов кипящей корродируюДва образца керамической композици- 45 Щей среды поддерживали постоянным по- онной заготовки подвергли выщелачиванию средством применения орошений. в растворах для удаления взаимно связанно-Образцы I и II удаляли из их соответству- го металла, содержащегося внутри загото- ющих корродирующих средств с интервала- вок. Каждая керамическая композиционная ми в 24 ч и взвешивали для определения заготовка содержала матрицу из окиси алго- 50 степени выщелачивания. Таблица показыва- миния, которая включала материал наполни- ет, что наибольшее выщелачивание отмеча- теля. Первая керамическая композиционная лось в первые 24 часа, а к 96 часам заготовка далее будет называться образец I, выщелачивание было минимальное. состояла из алюминиевой матрицы, выра- Потери в массе образца I и образца II. щенной из алюминиевого сплава 712,2 с при- 55 как показано в таблице, происходит главным менением воздуха в качестве окислителя, образом из-за присутствия взаимосвязанно- окружающей материал наполнителя, кото- го металла внутри образцов, а не из-за соответ- рый состоял из смеси 95 вес. % алунда с ствугащих керамических матриц в образцах, размером частиц 24 грит и 5 вес. % измель- Таким образом, применяя выщелачи- взющ/te ченного образца керамической заготовки, агенты в жидкой фазе, можно удалить взаи

несвязанный металл внутри керамическойпористость, которую можно пропитать втокомпозиционной заготовки и. следователь-Рым продуктом реакции окисления в соотно образовать пористость, которую можноветствии с заявленным способом для

заполнить продуктом второй реакции окис-повышения плотности и улучшения физиколения в соответствии с заявленным спосо- 5механических свойств материала, бом.

Пример 6. Этот пример иллюстрируетФормула изобретения

способ выщелачивания в жидкой фазе для1- Способ получения композиционного

удаления взаимосвязанного металлическогокерамического материала, включающий

компонента из керамической заготовки до 10контактирование первого исходного металпроведения второй стадии реакции окисле-ла- выбранного из группы, содержащей алюния в соответствии с заявленным способом.миний, кремний, титан, олово, цирконий,

Керамическая заготовка, применяемая вгафний и их сплавы с проницаемой массой

этом примере, содержала матрицу из окисинаполнителя, присадкой и окислителем, наалюминия, включающую взаимосвязанный 15грев до температуры выше температуры

металлический компонент. Матрица из оки-плавления первого исходного металла, но

си алюминия была выращена из сплава ис-ниже температуры плавления продукта реходного металла, содержащего по весуакции окисления и формирование заготовки

7,5-9,5% Si, 3,0-4,0% Си, 2,9% Zn. 1,5% Fe,И3 поликристаллического продукта реакции

0,5% Мп, 0,5% N1, 0,35% Sn и 0,18% Мд, 20окисления, имеющего металлические вклюостальное алюминий. Взаимосвязанный ме-чения и П°РЫ отличающийся тем, что,

таллический компонент содержал неокис-с целью повышения плотности и улучшения

ленные компоненты сплава исходногофизико-механических свойств материала,

металла.заготовку из поликристаллического продукОписанную керамическую заготовку 25та реакции окисления формируют с пористопогрузили примерно на 100 ч в кипящий рас-стьга об- % с порами, открытыми по

твор 1 об. % HCI, остальное дистиллирован-крайней мере на одну поверхность заготовная вода.ки а после формирования заготовку дополИсследование образца после его удале-нительно располагают в контакте с вторым

ния из выщелачивающего раствора показал 30исходным металлом, имеющим такой же или

значительное выщелачивание металличе-отличающийся от первого состав, повторно

ского компонента и образование взаимосвя-нагревают в присутствии окислителя и пр изанной пористости.садки и дополнительно формируют второй

Таким образом, при применении выще-поликристаллический продукт реакции лачивающего агента в жидкой фазе можно 35окисления в порах первого поликристалли- удалить взаимосвязанный металл внутри ке-ческого продукта реакции окисления, рамической заготовки и, следовательно,2, Способ по п. 1, отличающийся образовать пористость, которую можно за-тем что ПРИ формировании заготовки заполнить продуктом второй реакции окисленияданную пористость заготовки получают пу- в соответствии с заявленным способом. 40тем управления реакцией окисления или

Пример 7. Этот пример иллюстрируетпутем последующей обработки заготовки,

способ выщелачивания в жидкой фазе для3. Способ поп.-1, отличающийся

, удаления взаимосвязанного металлическоготем что дополнительное формирование втокомпонента из керамической заготовки доР°го поликристаллического продукта реакстадии пропитки продуктом второй реакции 45Ции окисления в порах проводят в части

окисления в соответствии с заявленным спо-заготовки, а поры другой части заготовки

собом.оставляют свободными.

Керамический образец типа, описанного4- Способ по п. 1, отличающийся

в примере б, погрузили, примерно на 25 ч втем- что перед контактированием проницакипящий раствор, содержащий 20 об. % 50ёмую массу наполнителя формуют в брусок,

NaOH, остальное дистиллированная вода.а при последующем формировании заготовки

Исследование образца после его удале-из поликристаллического продукта реакции

ния из выщелачивающего раствора показалоокисления форму и размеры ее выполняют

значительное выщелачивание металличе-соответствующими форме и размерам исского компонента с образованием взаимо- 55ходного бруска наполнителя,

связанной пористости.5. Способ по п. 1, отличающийся

Таким образом, применяя выщелачива-тем что ПРИ первом и повторном контактиющий агент в жидкой фазе, можно удалитьровзнии первого и второго исходных металвзаимосвязанный металл внутри керамиче-лов с окислителем используют окислители

ской заготовки и, следовательно, образоватьразличного состава.

//У

Фиг.1

Vv

A-A

45

cpuala

0

рают алюминий, а при формировании заготовки в качестве первого и второго поликристаллического продукта реакции получают оксид алюминия.

j j V

Фиг.г

ЖШ

/ ч

,.v

АУх fs. S

ФигЗ

Фиг. 10