Устройство для получения композиционного изделия Советский патент 1993 года по МПК C04B35/65 

fe

Сущность изобретения: устройство содержит перфорированный контейнер, поде- ленный на секции. В контейнере находится проницаемый наполнитель и масса основного металла, который находится в контакте со слоем проницаемого наполнителя. Секции контейнера расположены с образованием одного или нескольких компенсационных соединений для компенсации периферийного теплового расширения секций. Секции контейнера выполнены из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно больше, чем у наполнителя. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к устройству для получения керамических композиционных структур.

Цель изобретения - повышение качества изделий за счет получения равномерной структуры.

На фиг.1 представлен схематичный с частичным поперечным сечением вертикальный вид устройства в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, включающий в себя поделенный на секции контейнер; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.З - вид в перспективе в уменьшенном масштабе одной секции контейнера; на фиг.4 - вид сверху устройства фиг.1; на фиг.5 - вид с частичным разрезом самонесущей керамической композиционной структуры, полученной с помощью устройства фиг.1; на фиг.6 - схематичный вид сверху одного из компенсационных соединений поделенного на секции контейнера,

показывающий его конфигурацию в состоя- ) нии теплового расширения; на фиг.7 - вари- I ант компенсационного соединения; на | фиг.8 - перспективный вид в разрезе другого варианта осуществления поделенного на | секции контейнера; на фиг.9 - вид сверху | поделенного на секции контейнера на фиг.7, оборудованного сеткой из нержавеющей стали, образующей пористое футеро- вочное средство для футерования поделенного на секции контейнера, причем состояние теплового расширения показано пунктирными линиями.

Устройство 10 содержит поделенный на секции контейнер 12, который по существу является цилиндрическим по форме и состоит из трех сегментов 12а, 12Ь и 12с, как лучше видно на фиг.2. Каждая из секций 12а, 12Ь и 12с заканчивается парой противоположных продольных кромок 16а, 16а , 16Ь, 1бь и 16с. 16. Поделенный на секции кон00

о ю

00

кэ

00

Сл

тейнер 12 представляет собой перфорированную конструкцию, в которой каждый из сегментов 12а, 12Ь и 12с имеет правильно расположенные отверстия 14, Отдельные сегменты 12а, 12Ь и 12с расположены относительно друг друга с расчетом образования по существу цилиндрического внутреннего объема поделенного на секции контейнера 12, внутри которого расположена масса или слой 18 проницаемого наполнителя.

Как лучше показано на фиг.2 и 4, сегменты 12а, 12Ь и 12с поделенного на секции контейнера 12 расположены ступенчато или потипу цепочной передачи, фиг.2, при этом последовательные продольные кромки 16а, 16а , 16b, 16b , и 16с, 16с радиально смещены относительно смежной продольной кромки в виде чередующихся радиально внутрь и наружу рядов, так что компенсационные соединения образуются между смежными продольными кромками, например 16с и 16а. Иначе говоря, смежные продольные кромки радиально смещены относительно друг друга. Как показано на чертежах, и как определено здесь и в формуле изобретения, термин радиальный, радиально или им подобный в отношении направления, размера или тому подобное, относится к направлению, которое проходит .поперек окружности поделенного на секции контейнера, как например, на фиг.2 это относится к направлению или размеру вдоль радиуса круга, аппроксимированного путем соосного выравнивания сегментов 12а, 12Ь и 12с. С другой стороны, термин (периферийный) или (периферийно) или им подобные относятся к направлению или размеру вдоль (периферии) поделенного на секции контейнера. Например, как показано на фиг.2, периферийное направление или размер-является направлением или размером вдоль круга, аппроксимированного с помощью верхних краевых кромок сегментов 12а, 12Ьи 12с.

В показанных вариантах осуществления поделенные на секции контейнеры имеют в общем круглую цилиндрическую форму, и три сегмента, каждый из которых охватывает дугу круга в примерно в 120°С. Очевидно, что может использоваться большее или меньшее число сегментов. На фиг.З показан вид в перспективе только одного сегмента 12Ь с продольными кромками 16Ь и 1б6 соответственно, проходящими между верхней периферийной кромкой 19Ь и нижней периферийной кромкой 21Ь.

Продольные кромки, образующие соответствующие показанные на чертежах секции, являются прямолинейными кромками, расположенными параллельно продольной

оси поделенного на секции контейнера. Однако следует отметить, что могут использоваться другие конфигурации продольных кромок, например, спиральные или иначе искривленные продольные кромки, проходящие между верхней и нижней периферий- ными кромками контейнера. Далее, поделенный на секции контейнер необязательно должен иметь постоянный размер

поперечного сечения по всей длине, а может

по существу образовывать конус, шар, пол- ушар или другую требуемую форму. Поделенный на секции контейнер также необязательно должен быть круглой цилин5 дрической конструкцией, а может быть цилиндром с овальным или полигональным поперечным сечением. Например, боковые стороны цилиндра (квадратного или прямоугольного поперечного сечения) могут быть

0 составлены из плоских сегментов, имеющих компенсационные соединения, образованные между ними. Средства крепления (не показаны) могут использоваться для удерживания в положении секций контейнера.

5 Например, ленточный обвязочный материал из органического полимера, который сгорает или испаряется при нагревании, может использоваться для временного крепления секций на своих местах, когда поделенный

0 на секции контейнер заполнен, и опорное средство 30, содержащее цилиндрический сосуд 32 и куски 36 устанавливаются вокруг него. Может использоваться любое другое соответствующее средство для удержива5 ния секций в правильном выравненном положении, как например, прокладки, шайбы, монтажные зажимы при условии, что такое средство не препятствует требуемому направлению поперечного расширения от0 дельных секций поделенного на секции контейнера. Кромки секций, т.е. краевые и снабженные выемками кромки, между которыми образуются компенсационные соединения или швы показанных вариантов

5 осуществления, обычно располагаются вдоль поделенного на секции контейнера сверху вниз.

Корпус 20, являющийся источником основного металла, имеет по существу цилин0 дрическую форму и круглое поперечное сечение и содержит пару дискообразных выступов 22, 24, образованных на нем. Корпус 26 резервуара из идентичного основного металла, расположен сверху смежно с

5 корпусом 20, Резервуар 26 может содержаться в слое 28 барьерного материала типа частиц, который просто не будет поддержи: вать рост поликристаллического продукта реакции окисления в условиях ведения про- цесса, например, слой частиц элуна Е1 (частицы глинозема, поставляемые фирмой Нортон компанм) с основным металлом в алюминиевом сплаве (10% кремния, 3% магния) на воздухе при 1250°С. Эти частицы могут иметь любой подходящий размер зе- рен, например, 90. Таким образом, в поделенном на секции контейнере 12 слой 18 проницаемого наполнителя располагается от нижней периферийной кромки 21 контейнера 12 вверх примерно до уровня, опреде- ляемого плоскостью X-Х на фиг.1, и слой 28 барьерного материала располагается выше плоскости X-Х до верхней периферийной кромки 19 контейнера 12, При необходимости, физический барьер, например, пласти- на из нержавеющей стали, может быть установлен на уровне X-Х для отделения слоя 18 наполнителя от слоя 28 барьерного материала. В этом случае, такая барьерная пластина должна иметь отверстие для про- хода расплавленного основного металла из резервуара 26 в массу 2 основного металла.

Опорное средство в общем обозначено позицией 30 (фиг. 1, 2 и 4) и включает в себя цилиндрический сосуд 32, имеющий закры- тую нижнюю стенку 32а (фиг.1) и ряды отверстий 34, образованных в его вертикальной боковой стенке. Цилиндрический сосуд 32 при необходимости может быть выполнен из материала типа керами- ческого материала, имеющего коэффициент теплового расширения идентичный или близкий к коэффициенту теплового расширения слоя 18 наполнителя. Цилиндрический сосуд 32 имеет больший диаметр, чем поделенный на секции контейнер 12, и получаемое угловое пространство между наружной периферией поделенного на секции контейнера 12 и внутренней периферией цилиндрического сосуда 32 заполняется большими кусками 36 дробленого керамического материала. Желательно, чтобы куски 36 включали материал, имеющий коэффициент теплового расширения, аналогичный или близкий коэффициенту тепло- вого расширения цилиндрического сосуда 32 и слоя 18 наполнителя. Используются крупные куски 36 измельченного керамического материала неправильной формы для образования достаточно большого проме- жуточного пространства между ними. Таким образом окислитель в паровой фазе, например, воздух, получает свободный доступ через отверстия 34, промежуточные пространства между кусками 36, отверстия 14 поделенного на секции контейнера 12 и затем через слой 18 проницаемого наполнителя.

Футеровка, выполненная в показанном варианте осуществления в виде сетки 38

нержавеющей стали с открытыми ячейками. лучше видна на фигуре 2), образует внутреннюю часть поделенного на секции контейнера 12 и служит для предотвращения выпадения небольших твердых частиц слоя 18 наполнителя через отверстие 14 в поделенном на секции контейнера 12.

В типичном варианте воплощения изобретения корпус основного металла 20 и резервуар 26 содержат основной металл алюминий, и слой 18 проницаемого наполнителя содержит любой подходящий материал - наполнитель типа, который здесь описан. Поделенный на секции контейнер 12 может состоять из жаропрочного сплава на базе никеля или железа, как например. Инконель, Хастеллой или Инколой. или же из нержавеющей стали или любого другого соответствующего металла или сплава. Обычно такие сплавы имеют коэффициенты теплового расширения, которые больше чем коэффициенты теплового расширения слоя 18 наполнителя и поликристаллического керамического материала, образованного в результате окисления расплавленного основного металла.

Устройство может быть помещено в печь, которая сообщается с атмосферой, так что воздух циркулирует в ней и служит в качестве газообразного окислителя. Устройство нагревается до температуры в границах требуемого диапазона температур выше температуры плавления, например, алюминия как основного металла, но ниже точки плавления продукта реакции окисления его кислородом воздуха. После нагревания до таких высоких температур сегменты 12а, 12Ь и 12с поделенного на секции контейнера 12 расширяются на значительно большую величину, чем слой 18.

После нагревания устройства основная часть теплового расширения сегментов 12а, 12Ь и 12с компенсируется, как показано на фиг.6, за счет периферийного расширения (показано пунктирными линиями на фиг.6) отдельных секций 12а, 12Ь и 12с. Таким образом, на фиг.6 (как на фиг.7 и 9) секции контейнера показаны сплошными линиями при окружающей температуре и пунктирными линиями при тепловом расширении после нагрева устройства для диапазона рабочих температур ведения процесса. Величина теплового расширения, показанного пунктирными линиями на фиг.6, 7 и 9, не соответствует какому-либо масштабу и немного преувеличена с целью иллюстрации. Обращаясь к фиг.6 следует отметить, что показанное расположение дает возможность приспосабливать тепловое расширение секций в результате периферийного

расширения к конфигурации, показанной пунктирными линиями, тем самым препятствуя радиальному расширению секций для уменьшения объемного расширения кон тейнера 12.

При этих условиях контейнер в форме поделенного на секции контейнера с компенсационными соединениями или швами между секциями снижает таким образом объемное расширение контейнера при тепловом расширении отдельных секций. Наоборот, если бы поделенный на секции контейнер 12 был бы выполнен в форме простой неподеленной на секции цилиндрической втулки, тепловое расширение в контейнере при нагревании до высоких температур, используемых для ведения процесса, привело бы к увеличению объема контейнера, так как он расширяется радиально наружу при нагревании. Благодаря делению контейнера на секции и созданию компенсационных соединений между секциями, как показано например,.на фиг.2 и б, объемное расширение контейнера 12 снижено, и как следствие, образование пустот, трещин или других разрывностей в слое 18 при нагревании снижается или по существу устраняется.

На фиг.7 показан другой вариант воплощения компенсационного соединения, используемого в соответствии с настоящим изобретением, в котором сегменты 23с и 23Ь имеют свои взаимодействующие продольные кромки 25с и 25Ь, расположенные рядом друг с другом, но на значительно большем расстоянии, чем соответствующие продольные кромки Тбс и 16Ь в варианте осуществления на фиг.4, удлинительный элемент 17, который продольно соответствует сегментам 23с и 23Ь приваривается или иначе соединяется с сегментом 23с и в боковом направлении выходит за свою продольную кромку 25с, оканчиваясь примерно на периферии продольной кромки 25Ь. Удлинительный элемент 17 закрывает довольно большое периферийное соединение между продольными кромками 25с и 25Ь таким образом помогая удерживать сетку или другое футеровочное средство, которое используется при необходимости и/или помогает удерживать частицы наполнителя в поделенном на секции контейнере 23. После теплового расширения секций поделенного на секции контейнера 12 секции и взаимодействующий удлинительный элемент 17 расширяются из положения при их окружающей температуре, показанного сплошными линиями, до конфигурации в положении теплового расширения, показанного пунктирными линиями на фиг,7.

Устройство, фиг.1, поддерживается при соответствующей температуре реакции в течение времени, достаточного для окисления расплавленного основного металла с

образованием поликристаллического продукта реакции окисления, который пропитывает и заполняет наполнитель 18, чтобы образовать требуемый керамический композиционный материал. По мере расходова0 ния основного металла 20, он пополняется основным металлом из резервуара 26, и реакция продолжается, в течение требуемого периода времени, обычно до момента, когда выращиваемый поликристаллический кера5 мический материал вступает в контакт с барьером, образуемым футеровочным средством, состоящим из сетки 38, футерующей деленный на секции контейнер 12. В этот момент температура снижается, и устройст0 во охлаждается. Поделенный на секции контейнер 12 изымается из опорного средства 30 и керамический композиционный материал 40 (фиг.5) отделяется от него. Керамический композиционный материал 40 может

5 быть получен путем разрезания по плоскости X-Х (фиг.1) или вдоль плоскости чуть ниже плоскости X-Х для получения по существу керамического изделия 40, внутренняя часть которого копирует обратную форму

0 основного металла 20. Таким образом, керамическое изделие 40 имеет центральную полость 20, содержащую увеличенные камеры 22 и 24, которые могут быть заполнены вновь отвердевшим основным металлом

5 при подаче основного металла, достаточной для заполнения этих объемов, пока не закончилась реакция. При необходимости от- вержденный основной металл, скажем, отвержденный алюминий, может быть изъят

0 из керамического изделия 40 путем сверления или химического травления для получения керамического изделия 40, с полым отверстием, соответствующим полости 20, которое проходит через него и содержит

5 расширенные полые камеры.22 и 24.

На фиг.8 и 9 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором поделенный на секции контейнер 42 состоит из трех сегментов 42а,42Ь и 42с, каждый из

0 которых имеет соответствующие противоположные продольные кромки 44а, 44а , 44b, 44b и 44с, 44с . Соответствующие верхние краевые кромки 45а, 45Ь и 45с, и соответствующие нижние краевые кромки 47а и

5 47с показаны на фиг.8. Нижняя краевая кромка сегмента 42Ь не видна на фиг.8. Сегмент 42а показан на фиг,б с множеством отверстий 49, распределенных по всей поверхности сегмента 2а, хотя показаны не все. Сегменты 42Ь и 42с показаны неперфорированными. Следует отметить, что обычно все секции контейнера являются либо перфорированными, либо неперфорированными для получения перфорированного или неперфорированного контейнера.

Футеровочное средство 46 состоит из сетки из нержавеющей стали с открытыми ячейками и содержит футеровку для внутренней части поделенного на секции контейнера 42. (Футеровочное средство 46 на фигуре 8 опущено для ясности). В этом варианте осуществления каждый из сегментов 42а, 42Ь и 42с имеет краевой выступ 48а, 48Ь и 48с, соответственно взаимодействующий с смещенным радиально наружу от взаимодействующих участков 50а, 50Ь и 50с, корпуса, которые лежат в цилиндрической плоскости и в иллюстрируемом варианте воплощения имеют дугообразную конфигурацию. Заплечики 52а, 52Ь и 52с образованы в местах соединения краевых выступов 48а, 48Ь и 48с со взаимодействующими участками 50а, 50Ь и 50с корпуса и проходят радиально между ними. Краевые выступы оканчиваются в соответствующих взаимодействующих продольных кромках 44а, 44Ь и 44с, и соответствующие накладывающиеся продольные кромки 44а, 44Ь и 44с смеще- ны радиально внутрь от их взаимодействующих продольных кромок 44а, 44Ь и 44с. В варианте осуществления на фиг.8 и 9 полученная конструкция соединения выглядит похожей на конструкцию на фиг.7 за исключением того, что вместо удлинительного элемента 17, приваренного поперек каждого компенсационного соединения, краевые выступы 48 образованы заодно с участком корпуса отдельных секций, например, при штамповании.

В показанной конструкции периферийные зазоры предусмотрены между смежными секциями, Например, типичный периферийный зазор выполнен между за- плечиком 52с и продольной кромкой 44Ь, и такие периферийные зазоры компенсируют периферийное тепловое расширение сегментов 42а, 42Ь и 42с. как показано пунктирными линиями на фиг.9, тем самым препятствуя или по существу устраняя объемное расширение поделенного на контейнера А2.

Использовано устройство, в целом похожее на устройство фиг.1, в котором поделенный на секции контейнер (соответствующий позиции 12, фиг.1) выполнен в виде перфорированного цилиндра из нержавеющей стали сплава 304 № 22, разрезанного параллельно продольной центральной оси цилиндра на три равных по размеру сегмента, каждый из которых таким

образом содержал дугообразное тело, охватывающее дугу круга 120°. Лист нержавеющей стали имел правильное расположение отверстий диаметром 0,17 см с расстоянием 5 между центрами 0,24 см, Армирующие угловые связки, также изготовленные из сплава 304 нержавеющей стали, приваривались к наружным поверхностям сегментов, располагаясь продольно им. Сегменты были рас- 0 положены по конфигурации цевочной передачи, как показано на фиг.2 и 4 чертежей, для получения компенсационных соединений между каждыми из трех сегментов. Угловые связки устанавливались на рассто5 янии от продольных кромок, образующих компенсационные соединения, с тем, чтобы не мешать периферийному тепловому расширению сегментов. Поделенный на секции контейнер имел внутренний диаметр при0 мерно 19 см.

Цилиндрический корпус основного металла помещался в поделенный на секции контейнер соосно с его продольной центральной осью и погружался в нем в слой

5 наполнителя (соответствующего позиции 18, фиг.1), состоящего из зерен № 90, алунд 38 (поставляется фирмой Нортон, дополненного кремниевой присадкой, как описано ниже), Резервуар основного металла

0 (соответствующий позиции 26 на фиг.1) устанавливался сверху, смежно с корпусом основного металла и погружался в слой {соответствующий позиции 28, фиг.1) необработанных зерен № 90, алунд 38. Иначе

5 говоря, слой частиц алунда, охватывающий корпус резервуара, не обрабатывался присадкой, Каждый корпус основного металла, включал алюминиевый сплав, содержащий 10 мас.% кремния и 3 мас.% магния, кото0. рые служили в качестве внутренних присадок. Устройство поделенного на секции контейнера и его содержимое монтировались на опорной конструкции типа показанного на фиг.1, которая содержала наружный

5 цилиндрический сосуд (соответствующий позиции 32 на фиг. 1) с отверстиями для воздуха (соответствующих позиции 34 на фиг.1) диаметром 1,9 см, просверленных произвольно. Цилиндрический опорный сосуд вы0 полнен в виде керамического тела с внутренним диаметром примерно 32 см из . глиноземистого литого огнеупора типа АР Гринкаст 94 фирмы АР Грин корп. Кольцевой зазор между цилиндрическим поде5 ленным на секции контейнером и наружным цилиндрическим опорным сосудом заполняются большими кусками (соответствующими позиции 36 на фиг, 1) необожженного керамического материала неправильной

формы, идентичного тому, из которого изготовлен цилиндрический опорный сосуд,

Футеровочное средство (соответствующее 38 на фиг.1 и 1В) было получено путем футеровки внутренней части поделенного на секции контейнера сеткой № 26 из нержавеющей стали марки 304.

Формул, а изобретения 1. Устройство для получения композиционного изделия с полостью заданной формы методом Ланксайд-процесса, содержащее перфорированный контейнер, отличающееся тем, что, с целью повышения качества изделий за счет получения равномерной структуры, контейнер выполнен с одним разъемом, образующим компенсационный зазор, или секционным с образованием компенсационного зазора между секциями, и из материала, КТР которого больше, чем КТР проницаемой массы наполнителя, находящегося внутри контейнера. ,

19

LZ

28

-26

Фиг.1

Фи 8.3