Способ получения фасонного керамического изделия Советский патент 1993 года по МПК C04B35/56 

Настоящее изобретение в целом относится к способам изготовления фасонных керамических материалов. В частности, изобретение относится к способам изготовления керамических материалов, состоящих из продукта реакции окисления исходного металла и окислителя, и имеющих заданную геометрическую форму за счет повторения формы расплавляемой модели.

Известен способ изготовления керамического соединения, полученного путем пропитки инертного материала фильтра продуктом реакции окисления, при этом масса упомянутого фильтра располагается

вблизи исходного металла, как это следует и из описания реакции окисления.

Возможность выращивания продукта реакции окисления, имеющего определенную форму или геометрию в отсутствие оправки, представляет определенные трудности. В ряду случаев оказывается необходимым придать определенную форму материалу, полученному после реакции окисления. В настоящем изобретении представлен надежный способ выращивания продукта реакции окисления с заданной формой или геометрией.

00 Сл)

о о

СЛ СЛ

со

На фиг, 1 показано поперечное сечение твердой расплавляемой модели в контакте с исходным металлом, имеющей газопроницаемое покрытие из подходящего материала, нанесенное на формоопределяющую поверхность; на фиг. 2 - разрез аналогичный фиг. 1, за исключением того, что показана расплавляемая модель, открытая на конце; на фиг. 3 - сечение, аналогичное фиг. 1, за исключением того, что приведена по- лая расплавляемая модель; на фиг. 4 - сечение, аналогичное фиг. 1, за исключением того, что показана расплавляемая модель, состоящая из нескольких кусков; на фиг. 5 - фотографит фасонного керамического мате- риала, полученного по примеру 1; на фиг. 6 - фотография поперечного сечения керамического материала при 100-кратном увеличении, полученного по примеру 2, и иллюстрирующая керамический композит, выполненный заодно с фасонной поверхностью керамической составляющей.

В соответствии с настоящим изобретением берется исходный металл (который может быть легирован как подробно описано ниже) и расплавляемая модель, формообразующая поверхность которой расположена наружу от исходного металла. Обычно исходный металл сформован в виде слитка, заготовки, стержня или подобного и распо- лагается в инертной ванне, печи или другом контейнере с поверхностью, обращенной к атмосфере, пригодном для наблюдения за расплавляемой моделью.

Расплавляемая модель может быть из- готовлена из любого подходящего материа- ла, который пропадает при условиях протекания процесса. Пропадение материала может происходить, например, путем ее испарения или сгорания. Главным образом предпочтителен материал, который испаряется или сгорает без золы или остатка, по- скольку такой остаток нежелателен, если он остается в полости отливки после исчезновения модели. Подходящие материалы мо- дели могут содержать, например, полистирол, полиуретан, полиэтилен или воск. Следует выбирать такой материал модели, который совместим с температурным диапазоном процесса, при этом парообраз- ный окислитель работает и с материалом покрытия (рассмотренном ниже более подробно), используемого в транспортных средствах. Кроме того, определенные материалы могут более легко чем другие подвер- гаться обработке.

Материал модели может иметь подходящую форму в расплавляемой модели, приданную любым подходящим устройством. Например, модели можно придать требуемую форму путем инжекционного формования, жидкого формования, экструзии, литья, машинной обработки и т.п. Инжекционное формование является предпочтительной технологией при изготовлении большого количества моделей. В иных случаях предпочтительным является жидкое формование, т.к. эта технология дает возможность получить полые расплавляемые модели. Жидкое формование может быть особенно предпочтительным, поскольку оно сводит к минимуму количество потребного для изготовления модели материала, что обеспечивает его более быстрое удаление ходе процесса получения керамики. Модель может иметь пазы, каналы, выступы, площадки, утолщения, фланцы, выступы, резьбу, ь которых имеются втулки, диски, стержни и др. детали, что позволяет придать модели требуемую форму. Модель может содержать также один или более соединительный элемент требуемой формы, за счет чего после сборки, стыковки и покрытия собранная модель работает как эквивалент модели из одного куска материала.

Газопроницаемое покрытие из подходящего материала, или материал покрытия .наносится на формоопределяющую поверхность расплавленной модели, образуя поверхность, которая совпадает и повторяет форму формоопределяющей поверхности модели, благодаря чему расплавляемая модель задает объем между исходным металлом и формоопределяющей поверхностью. Материал покрытия соответствует геометрии поверхности модели и образует удерживающую зону, благодаря чему при удалении расплавляемой модели материал покрытия не сосредотачивается в полости отливки, и будет сохраняться положительное отображение формоопределяющей поверхности расплавляемой модели. Кроме этого, материал покрытия достаточно проницаем для парообразного окислителя, обеспечивая проход окислителя в полость отливки, благодаря чему облегчается окисление находящегося в этой полости расплавленного металла.

Для обеспечения целостности конструкции материал покрытия имеет зону упрочнения, расположенную непосредственно вблизи формоопределяющей поверхности расплавляемой модели. Зона упрочнения одновременно дает возможность удерживаться материалу покрытия и сохранять геометриюформоопределяющейповерхности модели. Зона упрочнения может быть сформирована с добавлением связующих составов, таких как окись кремния или неорганические глины, подобные водным силикатам алюминия, которые станут окалиной при температуре протекания процесса. Например, на формоопределяющую поверхность расплавляемой модели может быть нанесен слой окиси кремния с помощью подходящего клея или связующего вещества. После этого на слой окиси кремния наносят материал покрытия. При нагревании до температуры протекания процесса окись кремния становится клеющей или связующей, благодаря чему в непосредственной близости от формообразующей поверхности образуется зона упрочнения. Кроме того, некоторые материалы покрытия сами по себе образуют зону упрочнения после того, как их применяют в расплавляемых моделях. Например, в качестве материала покрытия может использоваться модельный гипс, который в результате гидролиз образует зону упрочнения. Необходимая толщина зоны упрочнения в значительной степени определяется рабочими параметрами процесса. Зона упрочнения должна тем не менее быть достаточно прочной, чтобы удерживать вес матеиала покрытия в ходе протекания процесса. Следовательно, при описании зоны упрочнения необходимо рассматривать такие факторы как размеры и геометрия расплавляемой модели, материал покрытия, время протекания реакции, исходный металл, условия реакции окисления и др.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения материал покрытия содержит материал перегородки, служащий для предотвращения роста продукта реакции окисления за совпадающую поверхность. За счет этого рост продукта реакции окисления ограничен размерами полости отливки. Как олиса- но в указанном патенте, в качестве перегородки может использовать любой материал, соединение, элемент, состав и т.п., который при условиях процесса сохраняет некоторую целостность, не является летучим и является проницаемым для парообразного окислителя, который вместе с тем способен в некоторых местах предотвращать, вмешиваться, останавливать и т.п. продолжающийся рост продукта реакции окисления. Подходящими материалами для применения в качестве перегородок при работе с исходным металлом алюминием и окислителем в виде кислородосодержащего газа являются сульфат кальция (модельный гипс), силикат кальция, такой как Воласто- нит, портландский цемент и любая комбинация этих составов. Более того, когда материал перегородки работает как материал покрытия, то может быть добавлено подходящее жаропрочное соединение для уменьшения любых возможных разломов и растрескиваний, которые в противном случае могут возникнуть в ходе процесса нагревания и не будет достигнута верхность копии. Как указано выше, многие их этих материалов перегородок являются жесткими после гидролиза. В этом случае нет необходимости в получении раздельной зоны

0 упрочнения.

В другом предпочтительном вариаан- те цементирующий материал содержит наполнитель, который может быть пропитан прорастающим продуктом реакции окисле5 ния.

Наполнитель может включатаь частицы, нити, стержни и т.п. Обычно материал наполнителя содержит частицы, такие как окись алюмигния или карбид кремния, пол0 учаемые согласно традиционной технологии изготовления керамики. Материал наполнителя имеет зону упрочнения, как это описано выше, и накладывается на формоопределяющую поверхность расплавляе5 мой модели. Например, наполнитель из окиси алюминия может быть перемешан с некоторым количеством окиси кремния, необходимым для формирования зоны упрочнения при температуре протекания

0 процесса. Кроме этого, окись кремния может быть непосредственно нанесена на формоопределяющую поверхность расплавляемой модели и наполнитель из окиси алюминия покрыт окисью кремния. В дан5 ном варианте осуществления изобретения совпадающая поверхность, полученная путем нанесения материала покрытия на расплавляемую модель, не будет препятствовать или предотвращать рост

0 продукта реакции окисления за границы полоски отливки, как в случае использования перегородки, а фактически будет допускать рост продукта реакции окисления. В данном случае продукт реакции окисления исходно5 го металла и параообразного окислителя за- полняет полость отливки и затем пропитывает материал покрытия на заданную глубину. Следовательно, продукт реакции окисления будет расти за границы

0 полости отливки и внутрь материала покрытия. В результате формируется керамическая структура, имеющая фасонную поверхность, повторяющую формоопределяющую поверхность расплавляемой моде5 ли, и керамический композит, содержащий продукт реакции окисления, который заполняет наполнитель, составляющий единое целое с фасонной поверхностью.

Обычно частицы материала покрытия распределены в вяжущем веществе, растворителе или другой аналогичной жидкости для получения подходящей пасты, желе или смеси, которая может быть нанесена на модель и повторяет формоопределяющую поверхность. Верность, с которой керамическая структура повторяет формоопределяющую поверхность расплавляемой модели, зависит, по крайней мере отчасти, от верности, с которой материал покрытия поглощается формоопределяю- щей поверхностью модели, и единством зо- ны упрочнения, которая служит для сохранения этой верхности повторения. В целом, чем меньше частицы или композиционные составляющие материала покрытия, тем выше вэрность повторения формоопре- деляющей поверхности. Аналогично, чем более жидкой является используемая смесь материала покрытия, тем выше верность повторения. Материал покрытия наносится на формообразующую поверхность расплавляемой модели в количестве, которое достаточно для образования жесткой структуры при удалении расплавляемой модели. Как рассмотрено выше, количество материала покрытия, наносимого на модель, может зависеть от ряда таких факторов, как размеры модели, идентичность материала покрытия материалу зоны упрочнения, условия протекания процесса и т.п.

Для облегчения применения и приспособления материала покрытия к расплавляемому образцу материал покрытия обычно используют вместе со связующим веществом, таким как жидкость или растворитель, который будет улетучиваться или реагировать с материалом покрытия, или другим присутствующим материалом, с тем, чтобы получить на выходе требуемую композицию и необходимую зону упрочнения. Однако должно быть ясно, что при выборе конкретной основы или связующего вещества, такого как растворитель, некоторые растворители не совместимы с конкретными применяемыми материалами модели. Например, некоторые органические растворители, подобные ацетону, неприменимы, когда они непосредственно контактируют с некоторыми органическими пенопластами, такими как пористый полистирол, и растворяют или разрушают растворяемую модель, изготовленную из таких материалов. Следовательно, необходимо обращать внимание на то, чтобы комбинации или смеси, включая материал покрытия, которые наносятся на расплавляемую модель, были бы совместимы с материалом этой модели.

В соответствии с настоящим изобретением расплавляемая модель может быть твердой, полой или с открытым концом, при

условии, что формоопределяющая поверхность может удерживать наносимый материал покрытия. Кроме этого, расплавляемый образец может содержать

более одного элемента или секции, которые собраны вместе для образования необходимой геометрической конструкции. Например, как показано на фиг. 1-4, где исходный металл 1, формоопределяющая поверх0 ность 2 и материал покрытия 3 обозначены одинаковыми номерами, может быть получена керамическая структура, имеющая поверхность одинаковой формы, путем использования либо твердой расплавляе5 мой модели 4, показанной на фиг. 1, модели с открытым концом 5, показанной на фиг. 2, полой модели 6, показанной на фиг. 3, либо многоэлементной модели 7, показанной на фиг. 4, либо комбинации этих моделей. В

0 каждом случае материал покрытия, содержащий зону упрочнения, соответствует материалу формообразующей поверхности и имеет ту же самую конфигурацию.

В другом варианте осуществления на5 стоящего изобретения слой материала наполнителя располагают между исходным металлом и расплавляемой моделью до на- чала нагревания. На стадии нагревания расплавленный металл реагирует с

0 парообразным окислителем, рост продукт реакции окисления происходит вначале внутрь и через материал наполнителя и далее - внутрь полости отливки, Материал покрытия может содержать либо перегородку,

5 либо наполнитель, как рассмотрено ранее. Результирующий продукт содержит керамическую составляющую, имеющую фасонную поверхность, повторяющую формоопределяющую поверхность расплавляемой моде0 ли, и имеющую керамический композит, расположенный напротив фасонной поверхности.

Хотя ниже опиасно изобретение ее ссылкой на алюминий как исходный металл.

5 другими исходными металлами, которые отвечают критериям настоящего изобретения, могут быть кремний, титан, олово, цирконий и гафний.

Как указано выше, исходный металал и

0 расплавляемая модель берутся такими, что формоопределяющая поверхность модели располагается снаружи исходного металла. Обычно материал покрытия наносят на расплавляемую модель до того, как будут рядом

5 расположены исходный металл и модель. Однако, материал покрытия может быть наложен на модель и после совмещения их положений. Например, модель можно расположить на поверхности исходного метал- ла, помещенного в жаропрочный сосуд, и

затем нанести на модель материал покрытия. Этот набор, содержащий сосуд и его содержимое, включая расплавляемую модель, с нанесенным на нее материалом покрытия, помещают в печь, в которую подается парообразный окислитель и которую нагревают до температуры выше точки плавления исходного металла, но ниже точки плавления продукта реакции окисления. Например, в случае использования алюминия и воздуха в качестве парообразаного окислителя при получении продукта реакции окисления в виде окиси алюминия, подходящий температурный диапазон лежит в интервале 850-1450°С и более предпочтительно 900-1350°С. Обычно в ходе этого процесса нагревания материал расплавляемой модели сгорает или испаряется, в результате расплавляемая модель исчезает и полость отливки опустошается, Должно быть понятно, что полного освобождения полости отливки не происходит. В ряде случаев в полости могут оставаться один или более остатков или побочных продуктов, возникающих в результате сгорания или испарения модели. В большинстве случаев, однако, присутствие небольшого количества такого материала не ухудшает росту продукта реакции окисления или верность воспроизведения формы модели. Однако, желательно использовать материал, который не удаляется в виде такого остатка в полости отливки после удаления модели.

В данном рабочем диапазоне или интервале температур формируется структура или пул расплавленного металла и при контакте с окислителем расплавленный металл вступает в реакцию, образуя в таких, когда в качестве исходного металла применяются сплавы определенных металлов, или когда применяются определенные добавки, может формироваться соединение типа шпинель, например, шпинель алюмината магния перед тем, как образуется продукт реакции окисления. Продолжая выдерживать материл в окислительной атмосфере, расплавленный металл будет последовательно вытягиваться и проходить через ранее сформированный продукт реакции окисления по направлению к окислителю в полость отливки по направлению к совпадающей поверхности, образованной материалом покрытия. При контакте с окислителем расплавленный металл вступает в реакцию, формируя дополнительный продукт реакции окисления, увеличивающий свою толщину посредством последовательного заполнения полости отливки. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, когда материал

покрытия содержит материал перегородки, реакция расплавленного металла с окислителем продолжается до тех пор, пока продукт реакции окисления не заполнит

полость отливки и не вырастет до совпадающей поверхности материала покрытия, которая ограничивает или предотращает дальнейший рост продукта реакции окисления. Когда материал покрытия содержит на0 полнитель, продукт реакции окисления продолжает расти в течение времени, достаточного для проникновения в материал наполнителя, окружающий полость отливки, на достаточную глубину.

5 Должно быть понятно, что результирующий поликристаллический материал керамической составляющей может иметь поры, которые могут частично или почти полностью заполнены металличе ской фазой, в

0 противном случае они присутствуют и распределяются по продукту реакции окисления, а общий объем пор зависит в большей степени от таких факторов, как температура, время, тип исходного металла и концен5 трация присадок. Обычно в таких поликристаллических керамических структурах кристаллы продукта реакции окисления соединяются друг с другом более чем в одном измерении, предпочтительно в трех

0 измерениях, а металл может быть по крайней мере с частичными связями.

Хотя в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения могут быть использованы иные подходящие окислите5 ли кроме парообразного окислителя, ниже рассматривается применение парообразных окислителей. Поскольку используется газовый или паарообразный окислитель, па- рофазный окислитель, материал покрытия

0 является проницаемым для парофазного окислителя, за счет чего парообразный окислитель проходит через материал покрытия и контактирует с расплавленным исходным металлом. Как указано в

5 вышеприведенном патенте, парофазный окислитель означает парообразный или обычно газообразный материал, который создает окисляющую атмосферу. Например, кислород или смесь газов (включая воз0 дух) является предпочтительным парообразаным окислителем, равно как в случае, когда алюминий является исходным металлом и окись алюминия желаемым продуктом реакции, при этом воздух обычно

5 более предпочтителен из-за экономических соображений. Когда говорится, что окислитель содержит или включает определенный газ или пар, это означает, что газ или пар являются единственными или, по крайней мере, преобладающими окислителями исходного металла при условиях, существующих в окислительной атмосфере. Например, хотя наибольшей составляющей воздуха является азот, кислород воздуха является единственным окислителем исходного металла, поскольку кислород является значительно более сильным окислителем, чем азот. Следовательно, воздух попадает под определение кислородсодержащий газовый окислитель, а не под определение азотсодержащий газовый окислитель. Примером азотсодержащего газового окислителя, как он указан в данном описании и формуле изобретения, является формирующий -аз, который содержит 96% по объему азота и 4% по объему водорода.

Также могут использоваться вместе с парообразными и твердые и жидкие окислители в любом варианте осуществления на- стоящего изобретения, в котором применяется материал наполнителя. Например, твердый окислитель может быть рассеян или перемешан в виде частиц с частицами материала наполнителя. Например, твердый окислитель может быть рассеян или перемешан в виде частиц с частицами материала наполнителя. В том случае, когда твердый окислитель должен быть перемешан с наполнителем, содержащим материал покрытия, твердый окислитель вначале перемешивают с материалом покрытия и затем наносят на расплавляемую модель. Когда наполнитель располагается между исходным металлом и расплавляемой моделью, твердый окислитель может быть также перемешан с материалом наполнителя или рассеян в нем. В любом случае, когда продукт реакции окисления пропитывает наполнитель материала покрытия, твердый окислитель может быть заменен на парообразный окислитель. Пригоден для работы любой подходящий твердый окислитель, содержащий такие элементы как бор или углерод, или восстанавливаемые соединения, такие как диоксид кремния или неко- торые бориды более низкой термодинамической стабильности, чем бо- рид продукта реакции исходного металла. Например, при использовании бора или восстанавливаемого борида в качестве твердого окислителя исходного металла алюминия результирующим продуктом реакции окисления является борид алюминия. В некоторых случаях продукт реакции окисления исходного металла твердым окислителем может образовываться настолько быстро, что он будет стремиться испариться вследствиме экзотермической природы реакции. Это явление нарушает микроскопическую однородность результирующего керамического продукта реакции окисления. Эту быструю экзотермическую реакцию можно избежать или подавить путем выбора

5 определенного материала наполнителя, который может поглощать тепло реакции, сводя к минимуму выход тепла из реакции. Примером такого подходящего инертного наполнителя является состав, который ана0 логичен продукту реакции окисления, возникающему между твердым окислителем и исходным металлом.

При использовании жидкого окислителя вместе с парообразным окислителем мате5 риал наполнителя или его часть погружают в него или обволакивают в окислителе, пропитывая при этом наполнитель. Затем наполнитель используют, как указано выше. Ссылка на жидкий окислитель означает

0 окислитель, который является жидким при условиях протекания реакции. Жидкий окислитель может иметь твердую основу, такую как соль, которая расплавляется при условиях протекания реакции. В других слу5 чаях жидкий окислитель может иметь жидкую основу, например, раствор материала, который применяется для пропитки части или всего материала наполнителя и который расплавляется или разлагается при услови0 ях протекания реакции, образуя при этои требуемую окисляющую жидкость. Примерами таких жидких окислителей являются стекла с низкой точкой плавления.

Как упомянуто выше в патентах, добав5 ление к исходному металлу присадок может улучшить или ускорить протекание реакции окисления, Действие присадок определяется рядом факторов, не зависящих от самого материала присадок. Этими факторами, на0 пример, являются конкретный состав исходного металла, требуемого конечного продукта, конкретная комбинация присадок, когда используются две или более присадки, концентрация присадок, условия

5 протекания реакции окисления и услови; окисляющей среды.

Присадка может быть использована как сплавная добавка в исходный металл ил1 как внешняя поверхность исходного метал0 ла, предпочтительно растущая поверхность в виде частиц или порошка. Когда применяется материал наполнителя, который располагается между исходным металлом v расплавляемой моделью, требуемые при5 садки могут быть нанесены на наполнитель или его часть, или перемешаны с ним. В том случае, когда добавка или добавки наносят-. ся на наполнитель, может быть использована любая подходящая технология, как-то рассеивание добавок по части или всем

материалу наполнителя, или нанесение покрытия в виде частиц, содержащих присадку, по крайней мере на часть наполнителя вблизи исходного металла. Присадка может быть нанесена на наполнитель в виде слоя одного или более материала в ванне, содержащей внутренние отверстия, перегородки, проходы, пространства для продува и пр., что обеспечивает ее проницаемость. Обычным способом применения любого материала присадок является хорошая пропитка наполнителя, которая выполняется в жидкой среде (например, в растворе материала присадки).

Введение присадки может быть обеспечено также путем расположения жесткого куска материала присадки так, чтобы он контактировал и находился между по крайней мере частью расплавляемой модели и исходного металла. Например, тонкий слой окиси кремния, содержащий стекло (присадка при окислении исходного металла и помещенной на него расплавляемой модели). В том случае, когда присадка лежит между исходным металлом и расплавляемой моделью на дне материала наполнителя, если он используется, то ниже слоя наполнителя вырастает поликристаллическая оксидная структура (т.е. глубже слоя присадки и в полости отливки). В других случаях на поверхность расплавляемой модели может быть нанесена одна или более ее добавка, которая в противном случае должна контактировать с исходным металлом. Кроме этого, добавки, используемые с исходным металлом, могут быть усилены добавками, используемыми по указанной выше технологии. Следовательно, в случае недостаточной концентрации добавок в исходном металле, концентрация добавок (добавки) может быть увеличена указанными альтернативными способами, или наоборот.

Добавками, пригодными для работы с исходным металлом алюминием, особенно с воздухом в качестве окислителя, являются, например, магний или цинк особенно в комбинации с другими добавками, как описано ниже. Эти металлы, или подходящие их источники совместимы с исходным металлом на основе алюминия при концентрации каждого примерно 0,1-10% по весу по отношению к общему весу полученного легированного металла. Концентрация любой из указанных добавок определяется такими факторами, как комбинация материала добавки и температуры процесса. Концентрация в пределах указанного интервала инициирует рост керамики, усиливает продвижение металла и сильно влияет на морфологию роста результирующего продукта реакции окисления.

Другими присадками, которые стимулируют рост кристаллического продукта реакции окисления на основе исходного металла алюминия и с использованием воздуха в качестве окислителя, являются, например, кремний, германий, олово и свинец, особенно когда они используются в комбинации с

магнием или цинком. Одна или несколько таких добавок, или подходящих их источников вносятся в исходный алюминий при концентрации каждой примерно 0,5-15% по весу от веса всего сплава, однако более же5 лательное улучшение кинетики и морфологии процесса роста достигается при концентрации примерно 1-10% по весу от общего веса сплава. Свинец в качестве присадки вносится в исходный алюминий при

0 температуре по крайней мере 1000°С, за счет чего обеспечивается его малая растворимость в алюминии. Однако добавление других присадок, таких как олово увеличит растворимость свинца и позволит получить

5 сплав при более низкой температуре.

Другими примерами материалов присадок, пригодными для применения с исходным металлом алюминием, являются натрий, литий, кальций, бор, фосфор и итт0 рий, которые могут использоваться по отдельности или в комбинации с одной или несколькими другими присадками в зависимости от типа окислителя и условий протекания процесса. Натрий и литий могут

5 использоваться в очень малых количествах в диапазоне несколько частей на миллион, обычно 100-200 частей на миллион, и по одиночке или вместе, или в комбинации с другими присадками (присадкой). Редкозе0 мельные элементы также могут использоваться в качестве присадок, особенно в комбинации с другими присадками, например, такие элементы как церий, лантан, празеодимий, неодимий и самарий.

5 Как указано выше, нет необходимости вплавлять каждую из присадок в исходный металл. Например, путем выборочного использования одной или более присадок в тонком слое части или всей поверхности ис0 ходного металла или соответствующей поверхности расплавляемой модели можно локализовать рост керамики из исходного металла или его части и обеспечить рост поликристаллического керамического мате5 риала в полость. Следовательно, ростом по- ликристаллического керамического материала в полости можно отчасти управлять путем локализации расположения присадочного материала на поверхности расправляемой модели. Наносимый слой

присадки является тонким относительно толщины слоя керамического композита и рост или формирование продукта реакции окисления в полости отливки происходит под слой присадки, т.е. глубже нанесенного присадочного слоя. Слой присадки может наноситься путем покраски, окунания, просеивания через шелк, испарения, или может использоваться в жидкой или пастообразной форме, либо путем разбрызгивания, ли- бо просто путем нанесения в виде частиц или твердых тонких листков или пленок на поверхность расплавляемой модели. Материал присадки может, но не обязательно, содержать какое-либо органическое или не- органическое связующее, растворитель и/или загустители. Однако, как указано выше, некоторые растворители или наполнители могут быть несовместимы с исходным металлом. Более предпочтительно наносить материал присадки в виде порошка на поверхность расплавляемой модели с использованием клея или связующего вещества которые исчезают вместе с моделью в ходе процесса. Одним из предпочтительных спо- собов нанесения присадки на расплавляемую модель является использование жидкой суспензии присадки в смеси воды и органического связующего, распыляемой на поверхность расплавляемой модели с тем, чтобы получить прочное покрытие, которое облегчает работу с расплавляемой моделью до начала процесса.

Материалы присадок, используемые снаружи, наносят обычно по крайней мере на часть соответствующей поверхности расплавляемой модели или исходного металла в виде однородного слоя покрытия. Количество наносимого покрытия изменяется в широком интервале относительно количест- ва исходного металла, который подвергается реакции, и с помощью экспериментов в случае алюминия были найдены нижний и верхний пределы. Например, при использовании кремния в виде двуокиси кремния, наносимой снаружи как присадка на исходный металл в виде алюминия и магния и использовании воздуха в качестве окислителя, используется 0,00003 г кремния на грамм исходного металла, или примерно 0,0001 г кремния на квадратный сантиметр поверхности исходногоо металла, на которую наносится присадка двуокиси кремния. Было также обнаружено, что может быть получена керамическая структура из исход- ного металла в виде алюминия и кремния с использованием в качестве окислителя воздуха и с добавлением МдО в количестве, больше 0,0008 г Мд на грамм исходногоо металла, который подвергается окислению,

и более примерно 0,003 г грамма Мд на квадратный сантиметр поверхности исходного металла, на которую наносится МдО.

Настоящее изобретение дает надежный способ получения фасонных керамических структур, включающих продукт реакции окисления расплавленного исходного металла и парообразный окислитель, путем копирования формы расплавляемой модели. По настоящему изобретению могут быть получены керамические структуры в широком диапазоне геометрического строения или формы, поскольку по существующей технологии могут быть получены самые разнообразные фасонные расплавляемые модели.

Ниже для иллюстрации приведены примеры осуществления настоящего изобретения, не ограничивающие объема притязаний.

Пример 1. Из пористого полистирола была изготовлена расплавляемая модель, имеющая размеры примерно 1 х 1 х 3/4 дюйма (1 дюйм 25,4 мм). Формоопределя- ющая поверхность модели представляет собой квадратную поверхность 1 х 1 дюйм и четыре 1x3/4 дюйма прямоугольные повер- хности.

Материал покрытия содержал 50 весовых процентов Волластонита (минерал си- лиата кальция фирмы Нико инк.) и 5С весовых частей модельного гипса (фирма Бондекс энд бондекс инк.). Смесь волла- стонйта и модельного гипса перемешали с водой для облегчения гидролиза модельного гипса с тем, чтобы получить зону упрочнения вблизи формоопределяющей поверхности модели. Эта смесь нанесена на верх и четыре боковых стороны расплавляемой модели слоем примерно 1/2 дюйма (12,7 мм), при этом нижняя часть модели осталась непокрытой. Это сделано Для получения зоны упрочнения.

Блок сплава алюминия (обозначенный как сплав 380,1 фирмы Белмот металз, имеющий обычно состав по весу 8-8,5% Si, 2-3% Zn и 0,1% Mg в качестве активной добавки и 3,5% Си, а также Fn, Mn и Ni, a содержание активного Мд иногда несколько выше, чем в интервале 0,17-0,18%), имеющий размеры 2x2x1/2 дюйма, был положен на свободно лежащие частицы волластонита так, что одна квадратная поверхность в 2 дюйма оказалась свободной. Некоторое количество присадочного материала (ликот, LX-60 фирмы Акме резин ко., содержащий в основном окись кремния), было рассеяно по свободной поверхности исходного металла. Расплавляемую модель нанесенным покрытием разместили на

верху свободной поверхности исходного металла так, что непокрытая поверхность полистиролового куба вошла бы в контакт с металлом. Модель и свободная часть металла были покрыты волластонитом, за счет чего комбинация исходного металла и покрытой модели оказались обработаны волластонитом.

Полученную сборку поместили в печь с подачей воздуха и нагревали в течение 4ч до температуры 1100°С. Температура печи поддерживалась на 1100°С в течение 210 ч и затем печь охлаждали в течение 4 ч.

Сборку извлекли из печи и восстановили керамическую структуру. Материал по- крытия удалили с помощью легкой пескоструйной обработки. На фиг. 5 показана полученная керамическая структура послеудаленияизлишканепрореагировавшего исходного металла. Измерения показали высокую степень соответствия полученной структуры расплавляемому образцу.

Пример 2. Керамическая структура, повторяющая фасонную расплавляемую мо- дель, была изготовлена так, как описано в примере 1. Однако, в данном примере материал покрытия содержал наполнитель в виде окиси алюминия.

Материал покрытия, содержащий 30 ве- совых процентов наполнителя из окиси алюминия (размер 325, окись алюминия фирмы Алкоа) и 70% ликота (LX-60, содержащий в основном окись кремния и служащий для получения зоны упрочнения), нанесен на формоопределяющую поверхность расплавляемой модели слоем примерно 0,35 дюйма толщины. Смесь волластонита и модельного гипса по примеру 1 была использована для покрытия окиси алюминия слоем примерно 1/2 дюйма толщины. Эта смесь служит для предотвращения роста продукта реакции окисления за материал покрытия наполнителя.

Покрытую модель поместили на блок алюминиевого сплава (обозначенный 380.1), который был покрыт присадкой, как описано в примере 1, и покрытую модель и все еще свободные участки поверхности металла были окружены волластонитом за счет чего в целом комбинация исходного металла и покрытая расплавляемая модель оказались обработанными силикатом кальция, как и в примере 1.

Эту сборку поместили в печь с подачей воздуха и нагревали в течение 4 ч до температуры 1100°С. Температура печи поддерживалась на 1100°С в течение 120 ч, после чего следовало охлаждение в течение 4 ч.

Сборку извлекли из печи и восстановили керамическую структуру. Материал модельного гипса и волластонита удалили с помощью легкой пескоструйной обработки. На фиг. 6 показана микрофотография со 100-кратным увеличением, показывающая керамическую структуру 1, выполненную вместе с керамическим композитным слоем 3,

Формула изобретения

1.Способ получения фасонного керамического изделия, включающий размещение исходного металла в газообразной реакционной в условиях процесса по отношению к металлу среде, нагрев до температуры, превышающей точку плавления металла, но меньшей точки плавления продукта его взаимодействия с газообразной средой, и выдержку до завершения реакционной инфильтрации указанного продукта взаимодействия, отличающийся тем, что предварительно из материала, сгорающего или расплавляющегося в условиях процесса, готовят формообразующую модель, форма которой соответствует форме будущего изделия, наносят на все поверхности, кроме базовой, барьерный слой, проницаемый для газообразной среды, приводят ее базовой поверхностью в контакт с поверхностью металла, а выдержку проводят до заполнения формовочной емкости, образующейся на месте модели, продуктом инфильтрации.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением барьерного слоя по крайней мере на одну поверхность модели наносят слой газопроницаемого дисперсного огнеупорного наполнителя.

3.Способ по п. 2, отличающийся тем, что огнеупорный наполнитель вводят в барьерный слой.

4.Способ по пп. 1-3, отличающий- ,с я тем, что металл выбирают из группы: Si, Ti, Zr, Zn, Hf, легированный алюминий.

5.Способ по пп. 1-4, отличающий- с я тем, что в качестве газообразной среды используют кислородсодержащий газ или воздух, а нагрев ведут до 850-1450°С.

6.Способ по п. 2, отличающийся тем. что газопроницаемый слой наносят вместе со связующим.

7.Способ по пп. 1-3, отличающий- с я тем, что в качестве барьерного наносят слой гипса, или портландцемента, или силиката кальция, или их смеси.

8.Способ поп. 1, отличающийся тем, что модель готовят из пористого полистирола, или полиуретана, или полиэтилена.

9.Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют или SiC.

пользуют оксид кальция, или каолин, или их 10. Способ по п. 6, отличающий- с„есь

с я тем, что в качестве связующего ис

Назначение: изобретение относится к способам изготовления керамических изделий, Сущность изобретения: размещают исходный металл в газообразной, реакционной к металлу в условиях процесса среде, нагревают до температуры выше точки плавления металла и выдерживают при максимальной температуре до инфильтрации продукта взаимодействия металла с газообразной средой. При этом предварительно готовят формообразующую модель из сгорающего или расплавляющегося в условиях процесса материала и на все ее поверхности, кроме базовой, наносят барьерные газопроницаемые средства, препятствующие инфильтрации. Базовую поверхность модели приводят в контакт с поверхностью металла, а выдержку проводят до заполнения формовочной емкости продуктом инфильтрации. Предусмотрено перед нанесением барьерного средства наносить слой дисперсного инертного наполнителя, например, или SiC. Металл выбирают из группы: Si, Ti, Sr, Sn, HF, легированный алюминий, в качестве газообразнойсредыиспользуют кислородсодержащий газ или воздух, температура процесса 850-1450°С. В качестве барьерного средства наносят слой гипса или портландцемента или силиката кальция, или их смеси. В качестве материала формообразующей модели применяют пористый полистирол или полиуретан или полиэтилен. Возможно нанесение наполнителя сосвязующим-каолином, оксидом кальция или их смесью. 9 з.п. ф-лы, 6 ил. сл С

7/7////////

фиг

i -ftf, . -fj

///////

фиг.4

фие./

Фиг. 5

фиг. 6