Способ изготовления самонесущего керамического композита Советский патент 1993 года по МПК C04B35/65 

Изобретение относится к способам получения самонесущих керамических тел, содержащих карбиды титана. гафния или цирхония, и к изделиям, полученным такими способами.

Значительный интерес представляет использование керамических и керамически): композиционных материалов в ряде областей промышленности, применение их, связанное с электричеством, и в качестве конструкционных материалов. Ряд характеристик этих материалов, такие, как твердость, огнеупорность. тепло, и электроизоляция, могут с пользой применяться в зависимости от конечного использования. Кроме того, керамика и керамические композиционные материалы представляют заманчивую альтернативу металлам для многих существующих назначений, а также обеспечивают разработку новых компонентов, для которых металлы или другие материалы непригодны.

Существуют, однако, ограничения при замене металлов керамикой, и разработка и производство керамических компонентов для технологически улучшенных применений сопровождаются некоторыми проблемами. Известные методы изготовления керамических компонентов включают основанное на порошках производство чаще всего при повышенных температурах и давлениях такие, как горячее прессование. Эта технология производства керамики обнаруживает ряд недостатков. Эти or-qt- t: r ia или недостатки содерж.. .-ео, изменение пропорций, ограничен : ьсзможно- сти получить слохкые стоимость спекаю; .- :у;.;-:. : ,--

00

W 00

ю ч

Ю

статочная воспроизводимость свойств порошка от партии к партии, значительная усадка при спекании. Настоящее изобретение преодолевает эти ограничения и недостатки и представляет -новый способ .надежного получения огнеупорных композиционных материалов из карбида металла.

.. Керамические карбиды хорошо известны в технике и широко изучаются в производстве керамики. Кроме того, компоненты из этих материалов, полученные по традиционным технологиям переработки порошка, достигли определенного коммерческого успеха. Другой процесс был разработан для производства силиконицированного карбида кремния, с помощью которого получают самоподдерживающее керамическое тело. В одном таком процессе, известном как процесс REFEL, расплавленным кремнием пропитывают пористый брикет из углерода и карбида кремния. РаоплаБ.шп кремни- и взаимодействует-с углеродом, образуя дополнительно карбид кремния,.который частично заполняет пустоты в брикете. Конечные керамические компоненты сравнительно плотные и хрупкие, имея в своем составе карбид кремния и кремний. Хотя этот процесс стал хорошо известен, в область применения патента обширна, в нем нечего не говорится, о том, что процесс RAFEL или другие сложные процессы являются пригодными для других элементов или металлов. В сущности, кремний - единственный элемент в группе IV В Периодической таблицы, который образует керамический карбид в результате взаимодействия расплавленного элемента с углеродом, и поэтому нет оснований полагать, что другие металлы могут, быть ИСПОЛЬЗОВРНЫ в подобном процессе. .Жаропрочные изделия описываются в патенте. Согласно основным положениям этого патента, в нем описывается композит, содержащий частицы, графита, покрытые карбидообразующим материалом, в том числе: титан, цирконий, гафний, ванадий, .никель, тантал, хром, молибден, вольфрам, кремний. По технологическому процессу, описанному в этом патенте, предварительно нагретое пористое графитовое тело пропитывали расплавленной массой кремния,- . или другим аналогичным металлом., который частично взаимодействует с графитовыми частицами, образуя оболочки карбида вокруг каждой частицы. Вследствие того, что конечный продукт содержит свободный

углерод, он проявляет определенные свойства графита, наиболее заметно - термостойкость. Среди-материалов, обладающих потенциально лучшими свойствами для

специальных компонентов, находятся карбиды металлов группы IV А:титан, цирконий и гафний. Известно, что для получения карбидов титана, циркония и гафния способом,

известным как самопроизвольно распространяющийся высокотемпературный синтез, в котором порошковая смесь металла с углеродом зажигается местным нагревом таким образом, что фронт горения распространя ется-на всю смесь, образуя в результате карбид металла. Основным .недостатком этого метода, однако, является тот факт, что при сгорании адсорбированных примесей происходит сильное выделение газов, кото5 рое является причиной образования пор и неоднородной микроструктуры. Пористость также может быть вызвана плавлением продукта реакции в результате интенсивного тепловыделения во время реакции, после

0 чего происходит местная усадка при затвер- девнии. В некоторых случаях можно добиться улучшения микроструктуры путем повышения давления во время горения. Известен способ получения композиЦи5 онного материала путем размещения заготовки из смеси керамического наполнителя, например, из группы карбидов, и источника углерода в кокотке с металлом с последующим нагревом до температуры, превышаю0 щей точку плавления металла, и выдержкой, что обеспечивает миграцию продукта реакции металла с углеродом споровое пространство наполнителя.

В общих чертах настоящее изобретение

Ь предоставляет новый и улучшенный способ получения керамических изделий, содержащих карбиды металлов группы IV А. В общем смысле, способ, описанный в изобретении, содержит стадии подготовки ванны основ0 ного металла, выбранного из группы, состо- ящей из титана, циркония и гафния (металлы группы IV А), и приведение его в поверхностный контакт с проницаемой массой, состоящей из материала наполнителя и

,5 .источника углерода для взаимодействия с расплавленным основным металлом с образованием его карбида. Доля углерода в свободном состоянии или в соединении .составляет стехиометрическую величину,

0 соответствующую металлу группы IV А с тем, чтобы в основном весь углерод прореагировал. Материал наполнителя содержит, по крайней мере, один карбид металла группы IV А, или другой относительно инертный на5 полнитель или их комбинацию.

Наполнитель из карбида металла определенной формы смешивают с источником углерода для образования проницаемой массы или слоя, которому желательно придать форму брикета. Кроме того, слой, или

, может содержать один или более относительно инертных наполнителей в качестве армирующего средства, такие, как оксиды, карбиды, нитриды, бориды металла и т.д. Материал наполнителя, или карбид металла группы IV А и/или другой наполнитель также служит в качестве разбавителя д/ я того, чтобы контролировать экзотерми- ческий характер реакции углерод-металла. Для удобства источником углерода может быть элементарный углерод, присутствующей, например, в виде частиц графита, смешанных с наполнителем для образования псфистого слоя или брикета. Где необходимо, источником углерода может быть карбид металла, способного восстанавливаться, так как карбид молибдена, и конечный продукт содержит карбид основного металла и молибден и, но не обязательно, непрорезги- рсвавший основной металл, а также наполнитель.

Основной металл нагревают, как правиле , в инертной атмосфере выше точки плав- ления для того, чтобы сформировать ванну жидкого металла. Температура и поверхностный контакт обеспечивается в течение времени, необходимого для осуществления постепенной инфильтрации расплавленного металла в проницаемую массу и для обеспечения реакции металла .-,с источником углерода для образования карбид основного металла. Инфильтрация (взаимодействие продолжается в течение времени, необходимого для того, чтобы реакция карбидооб- ргзсвания, по существу, закончилась. При охлаждении получается самонесущий керамический-композит, содержащий наполнитель, поглощенный карбидом титана, циркония или гафния, образованным самопроизвольно или инфильтрации и взаимодействии расплавленного металла с углеродом из источника углерода. В дальнейшем осуществлении, если используют основной металл в избытке относительно стехиометрического количества углерода, композит будет содержать непрореагировавший основной металл.

| В одном примере осуществления наполнителем может быть карбид металла, аналогичного основному металлу. В этом случае если основной металл-титан, карбиде м металла в качестве наполнителя может быть карбид титана. В этом примере конечный продукт содержит карбид титана, образовавшийся как продукт реакции, и карбид титана в качестве наполнителя. В представленном осуществлении настоящего изобретения в качестве наполнителя (в дополнение к Щеточнику углерода) использовали карбид другого металла группы IV А, нежели основной металл. Если наполнителем является карбид металла другого, нежели основной, металл, образуется твердый раствор из трех компонентов системы: углерод и/или инер- 5 тный наполнитель и два металла. В дальнейшем осуществлении наполнитель относительно инертного состава такой: как оксид, борид, нитрид металла и т.п. предпочтительнее, чем карбид. Смесь наполни- 10 телей, карбидов или не карбидов, может быть также использована. Выбор материалов наполнителя делает возможным изменять свойства конечного композита, как объяснено ниже более подробно. 15 Керамические изделия, полученные согласно этому изобретению, содержат композит из материалов карбида металла группы IV А, который состоит из (а) продукта взаимодействия расплавленного металла с 0 источником углерода (б) наполнителя из карбида металла и/или инертного исполнителя, твердого раствора трехкомпонентного карбида, или того и другого, и (в) главным образом свободного основного металла 5 и/или восстановленного из источника углерода металла, в зависимости от таких факторов, как количество основного металла, относительно источника углерода, типа наполнителя (наполнителей) и тип источника 0 углерода.

При осуществлении настоящего изобретения основной металла группы IV А и проницаемую, массу, содержащую углерод и материал (материалы) наполнителя, распо- 5 лагают по отношению друг к другу при поверхностном контакте таким образом, что расплавленный основной металл будет пропитывать массу. Основной металл, который выбирают из группы, состоящей из титана, 0 гафния и циркония, может быть чистым или относительно чистым металлом, промышленным металлом, имеющим включения или легирующие добавки, или сплаве1., в котором указанный основной металл является 5 главным компонентом. Это положение и ориентация основного металла и проницаемой массы по отношению друг к другу может быть достигнуто каким-либо одним из нескольких способов. Например, тело основ- 0 ного металла можно опустить в массу, как показано на рис.1 или тело основного металла может находиться в соприкосновении со слоем, или другим типом формы, этих материалов наполнителя. 5 . Проницаемая масса или слой, которому при желании можно придать форму брикета, содержит, по крайней мере, один наполнитель и источник углерода для взаимодействия с расплавленным основным металлом с тем. чтобы образовать карбид этого металла, Источником углерода может быть элементарный углерод или карбид металла, который можно восстановить расплавленным основным металлом, и количество впитывающегося металла является стехиометриче- ски необходимым для возможно, более полного протекания реакции с углеродной составляющей источника углерода, По существу вся углеродная составляющая источника углерода должна прореагировать, так как непрореагировавший углерод будет приводить к понижению твердости и, возможно, других важных свойств материала. Если в качестве источника углерода использовать элементарный углерод, то он в идеале должен, быть относительно чистым, . так. как многие включения, связанные с углеродом, такие, как водород.илй углеводород, выделяются в виде газов: при температура : .переработки, которые могли быть причиной пористости в керамическом продукте. Под- .ходящий элементарный углерод, содержит, например, графит, сажу и нефтяном кокс, и: углерод может быть аморфным или кристал-. : лическим. Углерод может, быть в любом требуемом виде, таком, как порошок, частицы, нити или чешуйки, или что-либо подобное, и может иметь размеры в следующих пределах: от -325 меш по Тайлеру до -20 меш, но более желательно - от+100 меш по Тайлеру до -48 меш,......

При условиях процесса, описанного в настоящем изобретении, реакция, скорее всего, будет экзотермической, и углерод определенного качества, видов и размеров может быть слишком химически активным, вследствие чего образуются разрывы или трещины в керамическом продукте. По этой причине, аморфный углерод или углерод в виде порошка, которые слишком мелкодисперсные, могут быть очень химически активными и поэтому непригодными в качестве источника углерода, если только реакция не замедлена, например, путем использования подходящего наполнителя. Более кристаллический углерод является менее химически активным, а графит, особенно в виде больших частиц, не так химически активен,.как сажа. Как правило, более желательно использовать сорта углерода, обладающие более высокой химической активностью, больших размеров для того, чтобы замедлить реакцию. Также и наполнитель, введенный в состав слоя или брикета, замедляет реакцию, и кроме того, служит наполнителем в конечном продукте, что объяснено ниже более подробно.

Там, где необходимо, источником углерода может быть один или более карбидов способных восстанавливать расплавленным основным металлом, Карбид можно использовать в сочетании с элементарным углеродом, но суммарный источник углерода присутствует в количестве, не превышающем стёхиометрической величины, необходимой1 для того, чтобы по существу весь

углерод прореагировал. Подходящими карбидами являются, например, карбиды молибдена, хрома, кобальта, железа, никеля и

ванадия. Известно, что карбид металла группы IVA, но другого, нежели основного . металла, может быть восстановлен основнымметаллом, но реакция протекает слишком медленно, чтобы быть пригодной. Когда

используют способный восстанавливаться карбид, расплавленный /основной металл вступает в реакцию, в результате которой образуется новый карбид и восстановленный металл. Например, если с .основным

металлом титаном в качестве наполнителя используют карбиды железа: :или молибдена, конечный композит будет содержать карбид титана и железо или молибден. При таком способе второй металл, например,

. железо.или молибден,вводится в конечный продукт, что обеспечивает гибкость-в изменении микроструктуры и свойств композита. В этом случае, молибден обладает более высокой температурой плавления и более

пластичен, чем титан и, следовательно, это может быть подходящим для изготовления керамики.из карбида титана, содержащей в микроструктуре молибден, для того, чтобы получить продукт, обладающий одним или

более свойствами, .характерными при наличии молибдена. В качество следующего преимущества, связанного с регулированием взаимодействия основного металла с углеродом -.способный восстанавливаться карбид. замедляет процесс-реакции, которая является экзотермической, и поэтому способный восстанавливаться карбид, используемый вместе или в сочетании с элементарным углеродом, может быть особенно полезен при снижении относительно высокой химической активности углерода.

В одном примере осуществления изобретения карбид, используемый в качестве

наполнителя; может быть получен из того же металла, что и основной металл, или что более предпочтительно, из другого металла. И в этом и в другом случае карбид служит в качестве наполнителя в конечном продукте.

Например, при использовании основного металла титана и карбида титана в качестве наполнителя для брикета (содержащего также источник углерода) конечный продукт будет содержать оба карбида, а именно: карбид, первоначально присутствующий в

рикете, и карбид, образовавшийся в ре- ультате взаимодействия основного метал- а с источником углерода. Карбид металла в качестве наполнителя помогает замедлить .реакцию, благодаря химической инертности и поглощению выделяемого тепла, что может быть особенно полезным при исполь- с овании углерода с более высокой химиче- с кой активностью, например аморфная с ажа. Кроме того, карбиды металлов группы IV А образуют между собой большой ряд трехкомпонентных твердых растворов, например (ZrxTh-x)C, (HfxTii-x)C и (ZrxHfi-x)C. Следовательно, в соответствии с одним примером осуществления, когда металл группы |У А пропитывает слой или брикет, содержании карбид металла группы IV А другого, нежели основной металл, такие твердые растворы легко образуются. Более того, в дополнение к карбидам металлов группы IV fi можно использовать карбиды других металлов в качестве наполнителей и разжижи- тэлей при замедлении реакции, пока эти карбиды устойчивы при контакте с источником углерода устойчивы при контакте с ис- трчником углерода и. расплавленным . основным металлом. Такими карбидами являются, например, карбиды кремния, танта- л:э, вольфрама. Таким образом, надо отметить, что выбор карбидов металлов г )уппы IV А, отдельно или в сочетании с другими материалами наполнителя, пред- с авляет удобный способ изменения хими- чэского состава и микроструктуры, а следовательно и свойств продукта. В част- н эсти, термопроводимость, в основном, по- дЯвляется. электросопротивление увеличивается и возрастает твердость в результате образования твердых растворов. Соотношение двух или более компонентов в твердом растворе, можно регулировать или путем легирования металлического тела, или введением смеси порошкообразных кгрбидов Б пористый брикет или слой. Там, г/.с это необходимо, оба карбида могут быть одинаковыми, или и качестве наполнителя можно и-спользовать. несколько карбитов, и; и можно использовать смесь материалов Исполнителя, - то можно определить заранее, основываясь на свойствах, необходимых для конечного продукта.

Материал наполнителя, используемого в сочетании с источником углерода, должен иметь достаточно- высокую температуру п; звления, чтобы сохранять устойчивость при условиях процесса. Обычно подбирается наполнитель с температурой плавления, более высокой, .что температура плавления основного металла и температура процесса. Температуру процесса можно до некоторой

степени понизить путем использования сплава основного металла, который обладает температурой плавления ниже, чем чистый основной металл, и тогда в процессе 5 можно использовать наполнитель с соответственно более низкой температурой плавле- . ния.

В соответствии с изобретением, расплавленную ванну основного металла поме- 10 щают в тесный контакт с проницаемой массой или слоем по всей поверхности или части ее, которая содержит наполнитель и источник углерода. Слой может быть расположен по. отношению к основному металлу 15 любым образом, пока направление/развитие проникновения металла и продукта реакции будет происходить в направлении слоя и поглощать, по крайней мере, часть его без повреждения и замещения. Где не0 обходимо, в слой или брикет можно добавлять один или более наполнителей, которые, по существу, химически инертны при условиях процесса. Подходящие инертные наполнители можно выбрать из оксидов,

5 боридов, нитридов и карбидов таких металлов, как алюминий, титан, цирконий, гафний, тантал, церий, скандий, торий, уран, и иттрий. Эти инертные наполнители могут быть полезны для придания требуемых ко0 нечных свойств композитной конструкции. Материалы наполнителя, используемые в слое, могут содержать керамические или металлические нити, усы, частицы, порошки, огнеупорный материал, сетчатый керамиче5 ский пенопласт, пластины, пластинки, плотные и полые сферы. Далее, слой или брикет материало-з наполнителя может быть гомогенным или гетерогенным,

Особенно эффективный способ практи0 ческого осуществления этого изобретения включает формирование слоя источника углерода и материала (материалов) наполнителя в виде брикета с формой, соответствующей желаемой кож, .i.-урации

5 конечной композитной детали. Брикзт можно получить какими-либо традиционными способами формования керамического тела (такими, как одноосное прессование, изо- стати.чос : ое брикетировамие, шликерное

0 литье, .ппьо с эсаждением, ленточное литье, залк: -.а мет.-i/ia в форму под давлением методом впрыска, намотка волокон для волокнистых материалов и т.д.) в зависимости от характеристик источника углерода и напол

5 нителей. Первоначальную связь между частицами или нитями до реакционного пропитывания можно получить путем легкого спекания или с помощью органических или неорганически4- связующих материалов, которы не протеканию про Ufcca и не способствуют образованию неелательных побочных продуктов в конеч- нгом материале. Брикет пюразовывается, тобы иметь достаточную целостность формы и прочность всырую и должен быть про- 5 ницаем для переноса расплавленного металла, Предпочитаемая пористость брикета зависит от различных факторов, включая отношение реагирующего углерода к инертному наполнителю, рост объема ука- 10 занного углерода при образо.вании карбида основного металла во время реакции и ко;ii/i iecTBO пористости (если вообще нужна), необходимой в продукте реакции. Такая пористость может быть (но необязательно) за- 15 полнена расплавленным основным металлом, если он присутствует в количестве превышающем стехиометрическую цели- чипу длч образования карОйда, Предпочитаемая пористость брикета от 5% 20 об. до 90% об., а более желательно - от 35% об. до 60% об. Брикет приводят с контакт с расплавленным основным металлом на одной или более его поверхностях на время, достаточное для завершения реакционного 25 пропитания основным металлом, чтоб 1 образовать матрицу, распространяющуюся через брикет к границам его поверхносш, и, желательно, практически заполнить пустоты брикета продуктом реакции. В результа- 30 те получается композитное тело, имеющее форму, близко или целиком повторяющую необходимую форму конечного продукта, таким образом сеодя ic минимуму или угл i.u няя дорогие операции конечной механиче- З л ской обработки или шлифовки.

Количество источника (источников) углерода, используемого в получении продукта, меньше или равно коли ;естсу углерода, которое стехиометрически необходимо для 40 наиболее полного протекания реэчции взаимодействия углерода с расплавленным ос-, новным металлом. Количество основного металла по отношению к необходимому количеству источника углерода м;ж;но изме- 45 нять, поэтому можно контролировать или модифицировать свойства конечного композитного тела путем изменения соответственного количества основного металла. Когда основной металл и источник углерода 50 находятся в стехиометрических количествах, свойства композитного тела определяются карбидом основного металла, так что тело, или матрица, должно обладать меньшей проводимостью, или меньшей пластич- 55 ностью, или меньшей ударной вязкостью по сравнению с композитом, содержащим свободный металл. Когда используют избыток

основного металла, так что не весь расплавленный основной металл, пропитывающий

массу или слой, реагирует, матрица содержит свободный металл или может быть доминирующим в металле, и поэтому свойства композитного тела, или матрицы определяются свойствами основного металла, особенно пластичностью или ударной вязкостью. Предпочтительно, чтобы количеству основного металла относительно объема пустот и количество источника углерода было таково, чтобы при завершении реакции пустоты были полностью или почти по.л- ностью заполнены карбидом как продуктом реакции и/или непрореагировавшим металлом. Это особенно необходимо при изготовлении тела практически без пор (плотного). В одном из примеров осуществления данного изобретения основной металл, например, титан, получали в виде слитка, полосы, прутка, листа и т.п. Металл хотя бы частично помещают в слой смеси подходящего источника углерода, например элементарный углерод, и наполнителя такого, как например, карбид металла группы IV А. Обычный стой может содержать альтернативные наполнительные материалы, например, окись алюминия, двуокись циркония и т.д. Этот комплект, или совокупность, может быть закрыт инертным материалом, обычно в форме частиц, который не смачивается расплавленным металлом и не реагирует с ним при условиях процесса и помещен в i и ель или.в другой огнеупорный сосуд. Верхняя поверхность основного металла может бьпь открыта, или основной металл можно полностью погрузить в слоГ источника углерода и наполнителя, и к тому же окружающий инертный слой можчо не применять. Эту совокупность помещают в печь и нагревают в инертной атмосфере такой, как аргон, вы ш е температуры плавления основного металла, но, ниже температуры плавления требуемого карбида основного металла с тем, чтобы образовать ванну расплавленного металла. Должно быть понятно, что пригодная для процесса температурная область, или предпочитаемая температура, может и не занимать весь этот интервал. Температурный интервал будет в значительной степени зависеть от таких факторов, как состав основного м.еталла и выбор источника углерода и материалов наполнителя. Расплавленный металл контактирует с источником углерода, образуется продукт реакции в виде карбида основного металла. При продолжающемся воздействии источника углерода оставшийся расплавленный металл постепенно вытягивается в направлении и внутрь массы, содержащей источник углерода, для обеспечения непрерывного

образования продукта реакции. Композит, г слученный таким образом, содержит продукт реакции основного металла с источником углерода.и наполнитель. Если основной етал л-сплав, композит может содержать един или более легирующих компонентов основного металла в прореагировавшем УЛИ непрореагировавшем виде. К тому же, композит может содержать свободный металл, образующийся в результате использования; способных восстановиться карбидов, твердый раствор карбидов метал лов труппы IV А или добавочный наполнитель, как было объяснено выше.

Изделия, полученные способом, описанным в этом изобретении, представляют собой относительно плотные, самонесущие тола, обладающие металлической и/или керамической структурой. Свойства продукта м1огут широко варьироваться, в зависимости от конечного использования, выбором наполнителей - карбидов металлов группы IV А подбором других инертных наполнителей и сротношёнием металла и углерода. Например, продукт Ti/TiC, полученный путем пропитывания слоя углерода и карбида титана избыточным количеством титана может быть полезным в детали, работающей на

И(НОС.- :- -.... :;

1 На чертеже показана примерная усТа- для осуществления предлагаемого сг/особа. ; , : .

} Устройство состоит из цилиндрического графитового тигля 1, снабженного внутренней втулкой 2 из. карбида титана. Полость вкутри втул ки частично заполняют проницаемым слоем заполнителя 3, содержащим один или более относительно инертных нэпе лнительных материалов, таких как карбид металла группы IV А, и источник углерода. Теердое тело карбидообразующего основного металла 4 помещают в наполнитель.

Графитовый тигель и его содержимое помещают в печь, например в графитовый сусцептор индукционной печи (не показа- на|. В этом случае передача тепла от сусцеп- тора к тигелю через стенку происходить в основном за чет излучения. Основным видом передачи тепла от стенки тигля к его содержимому является проводимость.

; Оптический пирометр (не показан) рас- по|пожён вертикально над установкой и сфо- ку ирован на содержимом тигля, чтобы даЬать возможность измерять и регулировав температуру печи.

Примеры 1,2 и 3 показывают превраще- титана в карбид титана вследствие вза- им|эдействия с углеродом в наполнителе из карбида титана.

Пример 1. Пруток из титана чистотой 99,7%, диаметром 12,7 мм и высотой 29.5 мм, содержащий 0,354 моля TI. представлял собой тело основного металла. Слой напол- 5 нителя содержал 0,354 моля углерода (в виде графита с величиной частиц - 100 меш) и 0,023 моля порошка карбида титана.

Тигель и его содержимое нагревали по

следующему режиму: нагрев до 1500 С за 30

10 мин в атмосфере аргона с расходом 5 л/мин;

пропитывание при 1500°С в течение 10 мин;

нагрев до 1700°С за 15 мин.

Когда показания температуры достигли

Т590°С. рост температуры доходил до пика

15 2200СГС. после чего понижалась до 1650°С;

выдержка при 1700°С в течение 5 мин; ох. лаждение.

После охлаждения было обнаружено, что на том месте, где первоначально нахо- 0 дился титановый пруток, образовалась полость......

Продукт реакции извлекли из тигля и исследовали структуру на оптическом микроскопе. Было очевидно, что титан проник в 5 наполнитель и полностью прореагировал там, образовав новый карбид титана. Последний являлся матрицей, поглощая частицы карбида титана-наполнителя обеспечивая в результате связанный композит. 0 ПримерЗ. Пруток титана чистотой 99,7% .диаметром 12,7 мм и высотой 29,0 мм (0,348 моля) погружали в слой наполнителя, содержащий 0,24 моля углерода в виде аце- тиловой сажи и 0,24 моля карбида титакэ- 5 наполнителя;

Тигель и его содержимое нагревали по следующему режиму: нагрев до 1550°С в течение 40 мин в потоке аргона с расходом 3 л/мин; пропитка при 1550°С в течение 0 10 мин; нагрев до 1700°С; прекращение подачи энергии; температура продолжала расти до максимума 189р°С; охлаждение.

. Как и в примере 1, на том месте, где первоначально находится титановый пру- 5 ток, образовалась полость. Из исследования микроструктуры продукта реакции было ясно, что титан проник в наполнитель и полностью прореагировал там с образованием нового карбида титана, обеспечивая в ре- 0 зультате связанный композит титана и карбида титана. .

П р и м е р 3. Титановый пруток с чистотой 99,7%, диаметром 12,7 мм и высотой 30,0 мм(0,363 моля) погружали в слой напол- 5 нителя, содержащий 0,25 моля нефтяного кокса с размером части - 20 меш и 0,25 моля порошка карбида титана.

Условия нагрева были такими же, как и в примере 2. Схожую полость наблюдали

после охлаждения тигля и получили схожий продукт с такой же микроструктурой.

Пример 4. Показывает превращение циркония в карбид циркония в результате взаимодействия с углеродом в наполнителе из карбида титана и образование конечного продукта титан-карбид циркония.

Два куска циркония, сжатые вместе и образуя в совокупности 0,09 моля, были помещены в тигель и погружены в слой, содержащий 0,08 моля углерода (частиц графита размером - 100 меш) и 0,09 моля порошка TiC. Тигель, и его содержимое нагревали до 2250°С в потоке аргона и выдерживали при этой температуре в течение 3 мин. Затем температуру повышали до 2300°С и подвод энергии прекращали.

После охлаждения до комнатной температуры композитный продукт реакции извлекали и исследовали на оптическом микроскопе и с помощью рентгенографии, Была.обнаружена структурная составляющая, содержащая твердый раствор с составом (Zro,gTio,i)C, на границе раздела остаточного непрореагировавшего металла и слоя углерод/карбид титана в виде пропитываемого слоя толщиной 2-3 мм. Остаточный металл содержал выделившийся карбид циркония.

Формула изобретения

1. Способ изготовления самонесущего керамического композита, содержащего наполнитель, предпочтительно содержащий карбид титана или циркония, или гафния и матрицу из двухкомпонентного или трех- компонентного твердого раствора карбидов тех же металлов, включающий контактирование проницаемого материала, содержащего инертный наполнитель и углеродсодержащий компонент, с основным металлом, нагрев в инертной среде«до плавления металла и выдержку в течение времени, достаточного для проникновения основного металла в проницаемый материал и образования карбида основного металла, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что проницаемый материал предпочтительно в качестве наполнителя содержит карбид титана или

.циркония, или гафния, в качестве углеродсо- держащего материала предпочтительно - углерод, кокс нефтяной или карбид металла, способный восстанавливаться расплавом основного металла, а в качестве основного

металла - металл из группы:, Zr, Hf.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что используют карбид, способный восстанавливаться расплавом,металла из группы: M.D. Cr, Co, Fe, Ni, V.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что проницаемый наполнитель содержит углеродсодержащий материал в количестве, меньшем, чем требуется по стехиометрии для полного преобразования

основного металла в карбид.

4. Способ по пп.-1-3, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью получения двухкомпонентного твердого раствора, инертный материал содержит карбид основного металла.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем,Ч(то, с целью получения трехкомпо- нентног-о твердого раствора, инертный материал содержит карбид металла иной, чем основной металл.

6. Способ по пп, 1-5, отличающийся тем, что используют наполнитель в виде дисперсных частиц, нитей, прутков, пластинок, сфер, волокон, порошков, сетчатой пе- ны, пластин, ткани,

7. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й- ся тем, что проницаемому материалу перед приведением его в.контакт с основным металлом придают предварительную форму. 8. Способ по п.1, о т ли ч а ю щ и и с я тем, что указанный инертный наполнитель содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из оксидов, боридов и нитридов.

: - .. .

Изобретение относится к способам получения самонесущих керамических тел, содержащих карбиды металла группы IV А. Для этого осуществляют контакт проницаемой массы наполнителя с расплавленным металлом группы IV А. Расплавленный металл держат в контакте с проницаемой массой в течение достаточ-. ного промежутка времени, чтобы расплавленный металл пропитал проницаемую массу и прореагировал с источником углерода для образования композита из карбида металла группы IV А. Наполнителем может быть карбид металла группы IA или , другой инертный материал, или их смесь. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.