Способ получения изделия из композиционного материала Советский патент 1993 года по МПК C04B35/65 

ространственно разделенных стеночных лементов, определяющих перепускные каалы для жидкости.

Изобретение представляет собой дальнейшее усовершенствование технологии олучения самонесущего керамического теа, имеющего разнесенные с промежутками теночные элементы, каждый из которых меет ограниченное поперечное сечение, пределяющее перепускные каналы для идкости, при этом керамическое тело полчено инверсионным воспроизведением профилированного основного металла.

В соответствии с изобретением предусматривается способ получения самонесущего керамического композитного тела, имеющего некоторое количество пространственно распределенных стенок определенного поперечного сечения, обусловливающих в значительной степени непрерывное пропускание жидкости. Эти стеночные элементы обычно инверсионно отображают в противоположных направлениях геометрию позитивной модели. Каждый из клеточных элементов, которые центрированы в осевом направлении, содержит керамическую матрицу, внедренную в наполнитель, и полученную реакцией окисления основного металла с образованием поликристаллического материала, который в значительной мере состоит из продукта реакции окисления основного металла с окислителем и необязательно одного или более металлов, т.е. неокисленных составляющих основного металла. Этот метод включает следующие операции: основной металл сформован для получения цилиндрической модели (как определено ниже), имеющей по меньшей мере одну открытую полость или отверстие, образуя при этом поверхности противолежащих стенок, т.е. внутреннюю стенку полости и внешнюю стенку полости. Толщина стенки, которая задается при формовании металлической модели, определяет расстояние между сте- ночными элементами в конечном изделии. Материал наполнителя наложен на поверхности обеих стенок цилиндрической модели. Засыпка материала наполнителя, может покрывать всю поверхность каждой стенки или простираться только для заранее определенной части или области, и эта покрытая область будет определять площадь стеночных элементов конечного композиционного продукта. Материал наполнителя проницаем для окислителя, если требуется, как например, в том случае, если окислитель представляет собой окислитель в паровой фазе, и в любом случае проницаем для инфильтрации развивающимся продуктом реакции окисления; и имеет достаточную согласованность в интервале температур нагрева, чтобы приспособиться к различному термическому расширению между слоем на- полнителя и основным металлом плюс объем- ные изменения, вызванные переходом точки плавления металла, Каждый слой засыпки материала наполнителя по меньшей мере в поддерживающих зонах, размещен

ный внутри стенки полости и снаружи внеш

ней стенки с тем, чтобы окружить модель, является внутренне самосвязывающимся при температурах, выше точки плавления основного металла, но ниже и предпочтительнее очень близкой к температуре реакции окисления, при этом засыпка материала наполнителя имеет достаточную силу сцепления, чтобы сохранить инверсионно воспроизведенную геометрию модели в засыпке

при миграции основного металла.

Профилированная заготовка основного металла с наложенными слоями засыпки нагревают до температурной области, превышающей его точку плавления, но ниже точки

плавл-ения продукта реакции окисления,

0

чтобы получить массу расплавленного основного металла, и расплавленный основной металл взаимодействует с этой области температур или в интервале температур с

0 окислителем с образованием продукта реакции окисления. По меньшей мере часть продукта реакции окисления поддерживается в этой температурной области в контак- те с массой расплавленного металла и

5 между массой расплавленного металла и окислителем, при этом расплавленный ме- талл поступательно протягивается из массы расплавленного металла через продукт реакции окисления, продолжая образование

продукта реакции окисления на границе раз, дела между окислителем и ранее образовавшимся продуктом реакции окисления. Эта. реакция продолжается в указанно-й темпе- ратурной области в течение времени, доста5 точного по меньшей мере для частичного инфильтрирования обоих слоев эссенции продуктом реакции окисления при росте последнего и для параллельного образования стеночных элементов с ограниченным

0 поперечным сечением и оставлением определенных путей прохода или канала, ограниченного самым глубинным стеночным элементом, т.е. продукт реакции окисления растер в противоположных направлениях в

5 засыпке, и миграция и превращение металла приводят к образованию керамической матрицы, инверсионно отображающей в противоположных направлениях смежную часть металлической модели, образуя при этом перепускные каналы для жидкости.

Проход для жидкости между стеночными элементами (стенками) представляют собой этображение стенки основного металла. Полученное самонесущее композитное тело отделяют от избыточного наполнителя, если

аковой имеется и, выделенный продукт содер жит многостеночное цилиндрическое керамическое композитное тело с продольным перепускным каналом для жидкости между стеночными элементами и централь- Аый канал для жидкости. Стеночные эле- центрированы на оси и предпочтительно центрированы коаксиаль- Ню, так что стенки в значительный степени кюнцентричны.

В другом аспекте изобретения предус- гЛотрены средства для предохранения сте- н|ок от разрушения и для поддержания с|теночных элементов с установленными Промежутками. В одном варианте осуществления изобретения предусмотрено средство для поддержания, выполненное за одно целое с керамическим компоаитным телом, заключающееся в том, что модель снабжает одним или более отверстий для щелей и заполняют их материалом наполнителя. Во время проведения процесса продукт реакции окисления прорастает как матрица в наполнитель, а равно как и в засыпку наполнителя, смежного со стенками, образуя при этом керамические связывающие ребра жесткости между стеночными элементами. В другом варианте осуществления изобретения при использовании модели основного металла с двумя или более цилиндрами, поддерживающие средства могут бш-ть внедрены между цилиндрами, и при формировании керамического композитного) тел а поддерживающие средства связыва- ю|гся на месте продуктом реакции окисления, соединяя и поддерживая при этЬм пространственно разделенные кера- м ческие цилг.ндры.

Использованные в описании в прилага- еМой формуле изобретения термины опре- де|лены ниже следующим образом.

j Керамический не следует неправо- мирно истолковывать, ограничиваясь кера- м ческим материалом в классическом смысле, т.е. в том смысле, что керамика со- стфит целиком из неметаллических и неор- гафических материалов, а скорее относится к материалу, который является преимущест- Beij-mo керамическим с учетом как состава, Tai| и определяющих свойств, хотя материал содержать небольшие или значительные количества одного или более составляющих, производных от основного металла, Mniji восстановленных HJ окислителя или присадка, в больш:/ стве случаев типично в

пределах от 1,0 до 40,0% по объему, но может включать и еще большие количества металла.-. Продукт реакции окисления в общем 5 смысле означает один или более металлов в любом окисленном состоянии, в котором металл отдал электроны или поделил электроны с другим элементом, соединением или их сочетанием. Следовательно, продукт ре- 10 акции окисления в таком определении включает продукт реакции одного или более металлов с окислителем, как описано в заявке.

Окислитель означает один или более 15 подходящих акцепторов электронов или распределителей электронов и может представлять собой элемент, сочетание элементов, соединение или сочетание соединений, включая восстанавливающиеся соедине.0 ния, и является твердым, жидким или газообразным (пар) или сочетанием этих агрегатных состояний (т.е. твердое вещество и газ) в условиях проведения процесса. Основной металл относится к металлу,

5 т.е. алюминию, который является предшественником для поликристаллического продукта реакции окисления и включает такой металл как относительно чистый металл, коммерчески доступный металл с содержа0 нием .примесей и/или составляющих сплава или сплав, в котором металл-предшественник является основной составляющей, и, если специфический металл упомянут как основной металл, т.е. алюминий, то металл

5 следует понимать в этом значении, если контекстом не определено иначе.

Цилиндрическая стенка или цилиндрический стеночный элемент неправомерно истолковывают как ограниченные

0 стенкой, форма которых в поперечном сечении определяется окружностью, но скорее касается любой стенки, чье поперечное сечение может быть любой подхо/- .дей замкнутой формы, такой как круглая,

5 эллиптическая, треугольная, прямоугольная или любая другая полигональная формз (т.е. пятиугольная, восьмиугольная и так далее) поперечного сечения. Далее термин включает стенки, поверхность которых не только

0 ровная и плавная, но также и стенки, имеющие любой типа формы волнистости, такие как зубчатая, синусоидальная, гофрированная и тому подобные.

На фиг.1 представлен горизонтальный

5 вид модели основного металла сформированного в виде цилиндрической трубы, имеющей множественные отверстия, простирающиеся в поперечном направлении через стенку цилиндра; на фиг.2 - на сечение А-А на иг.1 (с материалом на полнителя на месте); на фиг.З- горизонтальный вид сформованного основного металла, иллюстрирующий альтернативный вариант осуществления изобретения; на фиг.4 - вид с торца на сформованный основной металл на фиг.З с материалом наполнителя посредине; на фиг.5 - продольное сечение, показывающее сборку моделей профилированного основного металла на фиг.1, погруженного в слой частиц наполнителя и помещенного в жаропрочный контейнер; на фиг.6 - увеличенный, частичный разрез участка щели профилированного основного металла на фи.г.5, показывающий опорную зону в материале наполнителя; на фигГ/ горизонтальный вид на самонесущее керамическое композитное тело, получен ное согласно изобретению с использованием модели основного металла на фиг. 1; на фиг.8- вид с торца на самонесущее керамическое композитное тело на фиг.7; на фиг.9 - вид с торца на модель основного металла, сформованного в виде пары концентрически расположенных цилиндрических труб, при этом каждая труба имеет множество отверстий, простирающихся в поперечном направлении через стенку каждого из цилиндров; на фиг. 10 - вид с торца на самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием модели основного металла на фиг.9; на .фиг.11 - поперечное сечение модели основного металла, полезной при получении керамического композита альтернативным способом осуществления изо- бретенил; на.фиг, 1 2 - самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием .модели основного металла, .показанной на фиг.11.

В практике осуществления настоящего изобретения основной металл предусматривается в форме отливки или модели, снабженной по меньшей мере одним аксиально простирающимся отверстием, полостью, каналом или тому подобным, открытым по меньшей мере с одного конца. При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла инверсионно отображается в противоположных направлениях для получения самонесущего керамического композитного тела, содержащего несколько разделенных пространством стенок, имеющих ограниченное поперечное сечение. Изобретение устраняет операции получения раздельно керамических тел, каждое из которых затем концентрически устанавливают и взаимосвязывают. Термин инверсионно отображенный означает, что пространство, образованное между стенками в продукте, определяется противолежащими поверхностями смежных керамических стенок, которые в значительной степени подобны первоначальной форме основного металла, т.е. если основным металлом является модель, содержащая ци- линдрическую трубу с круглым поперечным сечением, то пространство, образованное между стеночными элементами керамического изделия, будет в значительной мере

0 такой же ширины что и толщина цилиндрической стенки, и будет круглым в поперечном сечении как негативное воспроизведение геометрии модели основ- -ного металла.

5. Модель основного металла может быть профилирована любыми подходящими средствами, лишь бы она содержала по меньшей мере одно открытое отверстие или полость, предпочтительно простирающую0 ся в осевом направлении через профилированный основной металл, т.е. цилиндрическая труба. Например; кусок ме- талла, такой как-трубка, труба или другой трубчатый элемент, имеющий осевое отвер5 стие/простирающееся во всей длине, образуя прнэтом цилиндр, может быть получен механической обработкой, литьем в форму, отливкой, экструдированием или сформован иным образом для получения профили0 рованной модели. Основной металл в качестве модели может иметь прорези, отверстия, щели, выточки.упоры, фланцы или тому подобное, чтобы получить модель для формирования поддерживающих (опорных),

5. средств для керамическо о композита, как описано это подробно .ниже. Модо-ль основ- ного металла может иметь любое подходящее замкнутое поперечное сечение, от цилиндрического до полигонального, как

0 уже упоминалось выше. Независимо от формы основного металла материал наполните- . ля наложен на поверхности стенок модели, которая включает полость или внутреннюю стенку и внешнюю стенку, и предпочтитель5 но поверхности стенок параллельны, обеспечивая таким образом -проход для жидкости в значительной мере однородного поперечного сечения. Целесообразно заполнить полость согласующимся материа0 лом наполнителя, на который затем наШсят другой согласующийся слой материала наполнителя, помещенный в подходящий тигель или контейнер, Два материала наполнителя могут быть одинаковыми или

5 различными по составу, качеству, чистоте или структуре. Модель определяет таким образом профилированную полость всогласу- ющейся засыпке материала наполнителя профилированную полость в пределах этой массы наполнителя. Когда основной металл,

I занимающий пространство, в конечном сче- |те расплавлен и окисляется и мигрирует из |заполненного пространства, то множество керамических стенок с ограниченным поперечным сечением и соосно расположенных развивается в противоположных направлениях, образуя при этом пространство, имеющее граничные поверхности внутри полученного керамического композитного тела, которые в значительной степени конг- руентны форме первоначальной модели основного металла. Таким образом толщина стенок модели основного металла может определить ширину поперечного сечения пространства между стеночными элементами. Полученный керамический композитный продукт обладает в значительной степени еометрической конфигурацией первоначальной модели, согласован в отношении дифференциальных объемных изменений основного металла в процессе получения, связанных с точкой плавления металла и ермическим расширением, с учетом сформированного композитного тела и охлаждения. Таким образом, в одном аспекте изобретение предусматривает и обеспечивает преимущество получения керамическо- го тела сложной формы обработкой (Металлической модели, и не механической обработкой керамики для получения формы, которая (обработка) является более трудоемкой и дорогостоящей.

Хотя изобретение описано ниже деталь- ю со специальной ссылкой на алюминий в качестве предпочтительного основного металла, другой подходящий исходный металл, удовлетворяющий требованиям изобретения, может быть использован и включен в объем изобретения, например, кремний, титан, олово, цирконий и гафний.

При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла и

3:

сыпку наполнителя нагревают в окислительной атмосфере до температуры выше точки плавления металла, но ниже темпера- т ры плавления продукта реакции окисле- н ля, что приводит к образованию массы или п/ла расплавленного металла. При контакте с окислителем расплавленный металл будет взаимодействовать с образованием слоя п зодукта реакции окисления. Под воздействием окислительной атмосферы в подходя- шей температурной области оставшийся расплавленный металл поступательно про- Т9 гивается в слой продукта реакции окисле- Н: 1ч и через него в направлении к окислителю и в засыпку наполнителя и там в контакте с окислителем образуется до- полнительны-s продукт реакции окисления. По меньшей мьре млсть продукта реакции

окисления поддерживают в контакте с расплавленным металлом и окислителем и. между расплавленным металлом и окислителем с тем, чтобы вызвать непрерывный рост поли- 5 кристаллического продукта реакции окисления в засыпке наполнителя, инфильтрируя и заливая наполнитель поликристаллическим продуктом реакции окисления. Материал поликристаллической матрицы продолжает рас- 10 тм до тех пор, пока поддерживаются подходящие условия для реакции окисления и сохранилась какая-либо часть неокислённо- го расплавленного основного металла.

Процесс продолжают до тех пор, пока 15 продукт реакции инфильтрирует и зальет желаемое количество засыпки наполнителя, Полученный керамический композитный материал включает наполнитель, залитый керамической матрицей, содержащей поли0 кристаллический продукт реакции окисления и необязательно одну или более составляющих основного металла, восстановленные составляющие твердого или жидкого окислителя, составляющие приса5 док или поры или их сочетаия, Типично для таких поликристаллических керамических матриц то, что кристаллиты продукта реакции окисления взаимосвязаны в одном или более измерениях, предпочтительно в трех

0 измерениях, и металлические включения или поры могут быть частично взаимосвязаны. Если процесс не проводят до израсходо- ван-ия основного металла, то полученный керамический композит основательно плот5 ный и в значительной мере беспористый. Если процесс проводят до конца, то есть столько металла, сколько желательно или возможно окислить в условиях проведен ч процесса окисления, то на месте взаимосвя0 занного металла будут образовываться поры в керамическом композите. Полученный керамический композиционный продукт согласно изобретению содержи сколько аксиально центрированных пространствеи5 но разделенных цилиндрических стенок, ин- версионноотображающих в противоположном направлении геометрическую Форму первоначальной модели, и (продукт) согласован по дифференциальным

0 объемным изменениям основного металла, связанным с точкой плавления и термическим расширением металла в процессе окисления в отношении полученного и охлажденного композитного тела. В предпоч5 тительном варианте осуществления стено- чные элементы центрированы соосно, и керамический продукт содержит центральный канал для жидкости и один или более концентрически расположенных жицкост- ны х каналов. Мс-сгмс/- подобной структуры может быть полезен особенно в качестве теплообменника.

На фиг.1 и 2 представлены перспективные виды полостных моделей основного металла 1, профилированного в виде цилиндрической трубы или цилиндра, имеющего стенку 2 и центральное отверстие 3, простирающееся аксиально через него. Цилиндрическая труба 2 имеет несколько отверстий, проходящих в поперечном направлении через стенку 2 цилиндра 1. На фиг,2 и 4 показан материал наполнителя 5. В осуществлении изобретения, показанном на фиг.3, цилиндрическая труба имеет множество вытянутых в длину щелей 6, простирающихся в продольном направлении почти на всю часть стенки цилиндра. В этих выполнениях отверстия 4 и щели 6 снабжены материалом наполнителя 5, как показано на фиг.2 и 4. Засыпка материала наполнителя 5, состоящая из того же или отличного от него материала, расположена в каждом центральном отверстии 4, но если желают, то внутренняя стенка каждого цилиндра может быть футерована засыпкой заранее заданной толщины с тем, чтобы заполнить только часть отверстия, и пролегающая глубоко внутри граничная поверхность засыпки снабжена подходящим барьером, чтобы ингибировать рост (не показано, и описано детально ниже). Таким образом, если отверстие имеет большое отношение длины к диаметру, то газообразному окислителю может быть нелегко проникать в засыпку при проведении процесса, оставляя при этом неплотный материал засыпки, и в таком случае может быть выгодным предусмотреть засыпку с жидким или твердым окислителем, как это разъяснено подробно далее). В предпочтительном осуществлении настоящего изобретения засыпки состоят или включают спекающийся или самосвязывающийся наполнитель, или связующее или спекающее средство, Следует понимать, что такая самосвязывающаяся зона может включать только часть засыпки или по существу весь слой, и далее, материал наполнителя может быть внутренне самосвязывающимся либо благодаря присущим материалу свойствам или подходящий материал может быть введен в слой для обеспечения достаточного связывания. Как показано на фиг,5. только в целях иллюстрации, боковые краевые стенки основного металла снабжены подходящим барьером 7 (детально описан ниже) и основной металл внедряется затем в засыпку из частиц наполнителя 8, помещенного в жаропрочный контейнер 9, такой как тигель из глинозема. Засыпки наполнителя 5, 8 могут иметь одинаковый или различный состав, чистоту или тип.

При нагревании сборки, показанной на фиг.5, до температуры, существенно превыщающей точку плавления основного металла, окислитель, такой как окислитель в паровой фазе, который проникает в засыпку и контактирует с расплавленным металлом, окисляет расплавленный металл и происхо0 дящий при этом рост продукта реакции окисления инфильтрует засыпку 5 и 8. Барьерные средства 7 ингибируют рост продукта реакции окисления от концевых стенок модели. Например, если основным металлом

5 является алюминий, а воздух является окис лителем, то температуре реакции окисления может быть в интервале от 690 до 1450°С, предпочтительно от 900 до 1350° С, и продукт реакции окисления типично представ0 ляет собой а-глинозем. Расплавленный металл мигрирует через образовавшийся слой продукта реакции окисления из объема, ранее занятого моделью 10, что может привести к пониженному давлению в этом

5 объеме вследствие непроницаемости для окружающей атмосферы растущего поверхностного слоя продукта реакции окисления и. нормальном давлении, действующем на контейнероподобный поверхностный слой

0 продукта реакции окисления. Разумеется, засыпки материала наполнителя (или его опорные зоны) могут быть внутренне самосвязывающимися при температуре самосвязывания и выше, которая находится в

5 интервале выше точки плазления основного металла, но ниже температуры реакции

окисления или близкой к ней. Таким образом, будучи нагретыми до температуры самосвязывания, но не ранее, засыпки

0 наполнителя или его поддерживающие зоны спекаются или иным образом связывают себя и соединяются с растущим продуктом реакции окисления достаточно прочно для того, чтобы придать необходимую прочно5 сть засыпкам, т.е. поддерживающим зонам, чтобы противостоять перепаду давления и сохранить в каждой засыпке наполнителя геометрию цилиндрических стенок и заполненной полости, образованной в ней

0 уподоблением засыпок форме модели. Как описано детально ниже, если наполнители были самосвязывающимися значительно раньше до окончания расширения основного металла при на5 гревании.и его расплавлении, то самосвя- зывающиеся наполнители будут трескаться или разрушаться при расширении металла. В осуществлении изобретения, при котором только поддерживающая зона наполнителей содержит или включает спекающийся или самосвязывающийся наполнитель ил (связующее или спекающее средство,пунктирными линиями 10 на фиг.6 показана протяженность поддерживающей зоны в засыпках. По мере продолжения реакции полость в засыпках ранее заполненная моделью, почти полностью освобождена в результате миграции расплавленного-основного металла через продукт реакции окисления к наружной поверхности его, где расплавленный металл контактирует с окислителем в паровой фазе и окисляется с образованием Дополнительного продукта реакции окисления. Продукт реакции окисления содержит лоликристаллический керамический мате- эиал, который может содержать включения составляющих основного металла, а равно сак и восстановленные составляющие приладки и твердый или жидкий окислитель,, исл-и таковой используется, в зависимости от условий процесса и реагентов, применяемых в нем. По окончании реакции и освобождению объема, ранее занятого моделью, Сборку охлаждают для извлечения полученного керамического композита, показанного позицией 11 на фиг.7 и 8. i Полученный композит 1 содержит кон- Центрические цилиндры 12 и 13, имеющие центральный канал 14 и окружные каналы 5. Два цилиндра поддерживаются в пространственном отношении друг к другу мно- хеством радиаль но расположенных спиц ребер жесткости 16 (см. на фиг.8), которые сформированы in- situ и заодно целое с концентрическими цилиндрами композита, ЦЬбыток наполнителя,-если таковой имеет- с|я, отделяет от композитного тела струйной обработкой, вибрацией, в барабане для очи-. с|тки отливок, шлифованием и тому подо- ф|ым. Экономичной технологией является струйная обработка с использованием час- материала, который пригоден в качест- в|е наполнителя или компоненты Заполнителя, для того чтобы удаленный наполнитель и материал для струйной обработки мог быть повторно использован как наполнитель в последующей операции. Даже если наполнитель может связываться в п эоцессе реакции, степень прочности этого с шосвязывающегося наполнителя обычно гораздо меньше чем прочность полученного композита, и, следовательно, полезно удалить избыток самосвязывающегося наполнителя обдувкой частицами без существенного повреждения композитного тела. Поверхности керамических композитных изделий могут быть грунтованы или механически обработаны или иным образом сформованы до

желаемых размеров, формы или конечной составляющей с размером и формой полученных в них перепускных каналов.

Можно виде- , что модель, профилиро- 5 ванная как цилиндрическая труба, дает два концентрически расположенных цилиндр таких как цилиндра 12 и 13. Таким образом, в процессе реакции окисления -i. екая матриип растет латерально в обоих на-- 10 правлениях, т.е. (а) внутрь от поверхности стенки основного металла в полость или центральное отверстие и (Ь) наружу от внешней поверхности стенки основного металла, с образованием внутреннего цилиндра 12 м 15 внешнего цилиндра 13, а также опорных элементов 16.

Модель основного металла может быть профилирована и конструирована так, что- .. бы получить более двух цилиндров. Напри-. 0 мер, модель основного металла, показанная на фиг,9 позицией 17, может, быть сформована как два концентрически расположенных металлических цилиндра 18 и 19, каждый из них снабжен отверстиями 20 и 5 21, проходящими в поперечном направлении. Могут быть получены продольные ребра 22, предпочтительно из керамики, такой как глинозем. Модель погружают в подходящий наполнитель, находящийся в жароп- 0 рочном контейнере, аналогично тому, как показано на фиг.5, такчтозасыпки наполнителя расположены в центральном отверстии внутреннего цилиндра 18, между цилиндрами,- окружают внешний цилиндр и 5 заполняют отверстия 20 и 21. В ходе реакции окисления цилиндрическая стенка внутренней цилиндрической модели 18 образует продукт реакции окисления в противоположных направлениях с формированием па- 0 ры внутренних цилиндрических стенок 23 и 24, которые поддерживаются концентрическими и пространственно разделенными множеством спиц или ребер жесткости 25 (см. на фиг. 10), полученных в результате ро- 5 ста продукта реакции окисления в виде матрицы в наполнитель, который был помещен в поперечные отверстия 20, Аналогично этому цилиндрическая стенка внешнего цилиндрического шаблона (модели) 19 образует 0 продукт реакции окисления в противоположных направлениях в ходе реакции окисления с образованием пары внешних цилиндрических керамических стенок 25 и 26, которые удерживаются в концентриче- 5 ском и пространственном положении множеством спиц 55, полученных в результата прорастания продукта реакции окисления как матрицы в наполнитель, который бы; помещен в поперечные отверстия 21. Про дукт реакции окисления, образующийся ;ростом керамических стенок, будет формироваться у основания продольных ребер 22, связывая при этом эти ребра на месте и поддерживая разнесенные в пространстве стеночные элементы 24 и 25, Полученный композит имеет центральный перепускной канал для жидкости и окружные или концентрические каналы 27, 28 и 30.

В дальнейшем варианте осуществления модель основного металла, показанная позицией 31 на фиг. 11, может быть сформова- на так, что, будучи погружена в наполнитель, находящийся в контейнере, аналогично показанному на фиг,5, внутренняя цилиндрическая модель 32 основного металла окружена внешней цилиндрической моделью 33 и концентрически размещена по отношению к внешней цилиндрической модели 33 основного металла. Внутренняя цилиндрическая модель 32 содержит.множество отверстий 34, проходящих в поперечном направлении. Таким образом, внешняя цилиндрическая стенка модели 62 окружена барьерными средствами 35, которые ингибируют; затрудняют или прекращают рост.или развитие продукта реакции окисления, как будет разъяснено ниже. Что касается других вариантов осуществления изобретения, то подходящий наполнитель, который может включать поддерживающие зоны, помещен или расположен в центральном отверстии цилиндра 33 и между внутренней цилиндрической моделью 32 и внешней цилиндрической мо-. делью 33, а также в поперечных отверстиях 34. В результате процесса реакции окисления цилиндрическая стенка внутренней цилиндрической модели 32 формирует продукт реакции окисления в противоположных направлениях, образуя при этом пару внутренних цилиндрических керамических стенок 35 и 36, которые поддерживаются концентрически и пространственно разделенными множеством ребер жесткости или спиц 37, полученных в ре- зультате прорастания продукта реакции окисления как керамической матрицы в наполнитель, который был ранее помещен в поперечные отверстия 34. Барьерные средства 35 предохраняют цилиндрическую стенку внешней цилиндрической модели 33 от роста и развития продукта реакции окисления в наружном направлении. Таким образом цилиндрическая модель 33 продуцирует целостную цилиндрическую керамическую композитную стенку 36 в процессе реакции окисления прорастанием продукта реакции окисления в наполнитель. Одно или более ребер-жесткости 38, таких как керамическое ребро жесткости, может

быть помещено между цилиндрическими стенками аналогично описанному со ссылкой на выполнение изобретения на фиг.9 и 10, Керамический композит содержит центральный канал для жидкости 39 и концентрические каналы 40 и 41. Таким образом, при осуществлении настоящего изобретения может быть получен керамический композитный продукт, имеющий две или более

0 цилиндрических стенок варьированием полой модели основного металла и использованием барьерных средств.

Выбором подходящего наполнителя и поддержанием условий проведения реак5 ции окисления в течение времени, достаточного для эвакуации по существу всего расплавленного основного металла из заполненной полости, вначале занятой моделью, получают точное инверсионное

0 отображение, геометрии модели (включая всякие отверстия, щели и тому подобное). Хотя форма, показанная на чертежах (и поэтому.все сформованные цилиндрические стенки и пространства) являются относи5 тельно простой, однако могут быть сформованы полости и другие пространства и керамическом композите, которые с точностью инверсионно воспроизводят формы моделей более сложной геометрии.

0Наполнитель, который согласуется с моделью и используемый для осуществления изобретения, может быть одним или более и:з широко распространенных материалов, пригодных для этой цели.

5Используемый в описании и в формуле изобретения термин согласующийся в применении к материалам наполнителя означает, что наполнитель представляет со- бо.й материал, который может быть

0 упакован вокруг, приложен к модели или обмотан вокруг модели и согласован с геометрией модели, погруженной в наполни тель. Наполнитель может включать, например, волокна, нитевидные кристаллы,

5 .порошки и тому подобное, может также содержать либо гетерогенное или гомогенное сочетание двух или более таких компонентов или геометрических конфигураций, т.е. сочетание мелких частиц и нитевидных кри0 сталлов. Физическая конфигурация наполнителя должна обеспечить погружение модели в массу наполнителя и окружение ее . наполнителем с тесным согласованием с поверхностями модели. Модель основного ме5 талла применяется в описании и в формуле изобретения как модель, так как пространство, образованное в конечном счете в композите, представляет собой негатив геометрии модели. Подходящие наполнители включают, например, оксиды, карбиды,

н итриды и бориды, такие как глинозем, дву- окись циркония, борид титана, карбид кремия, нитрид алюминия и нитрид титана или

войные, тройные или еще более высокого горядка оксидные соединения металлов такие как шпинели, т.е. шпинель алюмината магния.

I Согласующийся наполнитель является материалом, который в условиях реакции окисления проницаем для проникновения через него окислителя, если последний находится в паровой фазе. В любом случае наполнитель также проницаем для роста и развития в нем продукта реакции.окисле- н;ия.

| Самосвязывающийся наполнитель не фекается и должен сохранять свою согласованность, чтобы противостоять разнице в объемных изменениях между ним и основным металлом, когда последний нагревают и плавят, и затем самосвязывэться для обеспечения механической прочности для развития полости, когда реакция окисления прогрессирует.

; Употребленный в описании и в формуле иробретения для характеристики согласующегося наполнителя термин самосвязыва- к: щийся означает такие наполнители, кэторые, будучи размещены в согласующемся контакте с основным металлом, со- х аняют достаточную приспособленность к оэъемным изменениям основного металла п эй точке плавления и дифференциальному термическому расширению между основном металлом и наполнителем, и по мень- ией мере в его поддерживающей зоне, нэпосредственно примыкающей к положительной модели.

Наполнитель должен быть согласую- и/или самосвязывающимся только в тйй части слоя наполнителя, которая является смежной с моделью основного металла и сформована ею.

. В любом случае наполнитель не должен стекаться, сплавляться или взаимодейство- таким образом, что образуется непроницаемая масса, способная блокировать инфильтрацию продукта реакции окисления в Заполнитель или, когда используют окис- лфтель в паровой фазе, то проход такого п|)офазного окислителя через наполнитель.

Наполнитель должен быть согласующимся и/или самосвязывающимся только с той части слоя наполнителя, которая является смежной с моделью основного металла и сформована ею.

В любом случае наполнитель не должен стекаться, сплавляться или взаимодействовать таким образом, что образуется непроницаемая масса, г- тсобная блокировать

инфильтрацию продукта реакции окисления в наполнитель или, когда используют окислитель в паровой фазе, то проход такого профазного окислителя через наполнитель 5Типичные окиспптели включают без раничения кислород, азот, галоген, серу, фосфор, мышьяк. , глерод, селен, теллур и соединения и их сочетания, например, дв окись кремния (как источник кислорода), . ;е- 0 тан. этан, пропан, ацетилен, этилен и пропилен (как источники углерода), и смеси, такие как воздух, Н2/Н20 и СО/С02, последние две (т.е. водород-вода и окись углеро- да-углекислый газ) полезны для 5 восстановления активности кислорода в ai мосф.ере. В зависимости от применяемого окислителя полученная керамическая матрица может содержать оксид, карбид, нитрид или борид.

0Хотя может быть использован любой подходящий окислитель, предпочтителен окислитель в паровой фазе (газ) и конкретные осуществления изобретения описаны здесь со ссылкой нэ использование окисли- 5 теля в паровой фазе. Термин окислитель в паровой фазе означает испаренный или газообразный материалы в нормальном состоянии. В случае, например, когда основным металлом является алюминий и 0 окислителем является воздух, который наиболее предпочтителен поочевидней причине экономичности.

Примером окислителя как азотсодержащего газа использованного в описании 5 и в формуле изобретения, является так называемый формир-газ, состоящий примерно из 96 объемных процентов азота и 4 объемных процентов водорода.

Если используют твердый окислитель, 0 то он обычно диспергирован по всем слое наполнителя или в его части, прилежащей к основному металлу, в форме частиц или порошков, смешанных с наполнителем или вообще как покрытие на частицах 5 наполнителя. Может быть применен любой твердый окислитель, включая элементы, такие как бор или углерод, или восстансвлива- .емые соединения, такие как кордиериты, двуокись кремния и некоторые бориды бо- 0 лее низкой термодинамической стабильности, чем боридный продукт реакции основного металла. Например, если исполь- зуют бор и;:и .восстанавливаемый борид в качестве твердого окислителя основного ме- 5 талла алюминия, то полученный гюдукт реакции представляет собой 6ор1-д алюминия. Еслиосновным металлом является тп1,.;и . додекаборид алюг.п ния представляетсоС подходящий твердый окислитель и продукт включает д.:fv.--.

Если применяют жидкий окислитель, то весь слой наполнителя или его часть, прилежащая к расплавленному металлу, могут быть покрыты или пропитаны, например, погружением и сушкой, окислителем для пропитки наполнителя. Под жидким окислителем имеется в виду окислитель, который представляет собой жидкость в условиях реакции окисления и таким образом жидкий окислитель может иметь твердый предшественник, такой как соль, находящаяся в форме расплава в условиях реакции окисления. По выбору жидкий окислитель может представлять собой жидкость или раствор, который используют для пропитки части или всего наполнителя и который плавится или разлагается п условиях реакции окисления, давая подходящую окислительную компоненту, Примеры жидких окислителей, как определено о пписа- нии, включают легкоплавкие стекла.

Материалы присадок, используемые в сочетании с основным металлом, благоприятно влияют на процесс реакции .пения, в особенности в системе, применяющей алюминий в.качестве основного металла. Присадка или присадки, используемые в сочетании или в связи с основным металлом, могут быть введены как составляющие сплава основного металла, могут быть нанесены по меньшей мере на часть поверхности основного металла или нанесены или введены в часть или в весь материал наполнителя или предварительно сформованной заготовки, или может быть использовано в любое сочетание двух или более методов. Присадка может быть использована одна или в сочетании со второй присадкой, наносимой извне.

Присадки к алюминию в качестве основного металла, в особенности с воздухом е качестве окислителя, включают магний, цинк и кремний либо в отдельности, либо в сочетании с другими присадками. Эти металлы или подходящие источники металлов, могут быть сплавлены с основным металлом .на базе алюминия в концентрациях для каждой присадки от 0,1 до 10,0 весовых процентов от общего веса полученного легированного металла. Эти материалы присадок или подходящие источники их получения (т.е. MgO, ZnO или SI02) могут быть применены извне по отношению к основному металлу. Таким путем получают глиноземную керамическую структуру из смеси алюминий-кремний в качестве основного металла с использованием воздуха в качестве окислителя и MgO в качестве присадки, нанесенной на поверхность металла в количестве,большем чем 0,0008 г Мд на грамм основного металла подлежащего окислению,

и более чем 0,003 г магния на один квадратный сантиметр поверхности основного металла, на который наносят окись магния. Дополнительные примеры материалов

присадок для основного металла алюминия включают натрий, германий, олово, свинец, литий, кальций, бор, фосфор и иттрий, которые могут быть использованы в отдельности или в сочетании с одной или более присадок

0 в зависимости от окислителя и условий процесса. Редкоземельные элементы, такие как лантан, празеодим, неодим и самарий также являются полезными добавками и опять же в особенности при применении в сочетании

5 с другими присадками.

Могут быть применены барьерные средства для мнгибирования роста или развития продукта реакции окисления за барьером.

Подходящими барьерными средствами мо0 жет быть любой материал, соединение, элемент, композиция или тому подобное, которые в условиях процесса согласно изобретению сохраняют некоторую целостность, не летучи и предпочтительно

5 проницаемы для окислителя и паровой фазе и способны локально ингибировать, отравлять, останавливать, мешать, предупреждать или тому подобное продолжающийся рост продукта реакции окисления. Как сви0 детельствует осуществление изобретения, показанное на фиг.5, барьерные средства приложены к торцевым поверхностям .профилированного основного металла для предотвращения роста продукта реакции

5 окисления из этих поверхностей. Подходящие барьеры, особенно АЛЯ алюминия в ка честве основного металла в воздухе или в кислородсодержащем галс, включают сульфат кальция (природный гиг.г), силикат каль0 ция и портланд-цемент и их сочетания, которые обычно наносят из шликера или в виде пасты на поверхность модели или. на поверхность материала наполнителя, если рост.необходимо приостановить в области

5 засыпки. Эти барьерные средства могут также включать подходящие горючие или лету чие материалы, которые удаляются при нагревании, или материалы, разлагающиеся при нагревании с целью увеличения по0 ристости и проницаемости барьерных средств. Кроме того, барьерные средства могут включать жаропрочные частицы для снижения любого возможного растрескивания или усадки, которые иначе могут поя5 виться при проведении процесса. Такие частицы, имеющие, по существу, тот же коэффициент термического расширения, что и материал слоя наполнителя, особенножела- тельны. Например, если засыпка содержит глинозем и полученная керамика включают

гпинозем, то барьерное средство может Еыть смешано с частицами глинозема, желательно имеющими те же размеры частиц, что и частицы, используемые в засыпке, т.е. примерно 20-1000 меш. Другие подходящие барьерные средства включают плотные жаропрочные керамические или металлические экраны, желательно открытые по мень- ией мере с одного конца, чтобы обеспечить г роникновение паровой фазы окислителя в слой и контакт с расплавленным металлом. Е некоторых случаях полезно вводить источ- н ики второго металла с барьерными средствами. Например, некоторые сорта составов нержавеющей стали при йзаимодействии в спределенных условиях процесса окисления, например, при высоких температурах, Е кислородсодержащей атмосфере, образуют свои оксидные компоненты, такие как скись железа, окись никеля или окись хрома в зависимости от состава.нержавеющей стали. Таким образом, в некоторых случаях f арьерные средства, такие как экран из не- р жавеющей стали, могут обеспечить подходящий источник второго или инородного металла, в которые могут осуществлять введение вторых металлов, таких как железо., никель или хром в поток расплавленного основного металла при контакте с ними.

Следующие примеры приведены для иллюстрации изобретения, а не с целью огра- н|ичения его объема.

П р и м е р 1. Керамическое трубчатое т}ело, содержащее два концентрических взаимосвязанных керамических цилиндра, было получено из цилиндрической трубы (такой, как показано на фиг.2) размерами 2,5 м в длину и 2,5 см в диаметре с толщиной Цилиндрической стенки 0,3 см, содержащей при ряда по четыре поперечных отверстия диаметром 0,3 см, разнесенные на 90°. Ци- зиндр состоял из сплава алюминия 380.1 , (из Belmont Metals, имеющего паспортйзо- |анный состав в весовых процентах: 8-8.5% i, 2-3 цинка и 0,1 % магния в качестве активирующей присадки и 3,5% меди, железа, фарганца и никеля/но в некоторых случаях Содержание магния было более высоким и Находилось в пределах 0,17-0,18%. Все внешние и внутренние цилиндрические с тенку и стенки поперечных отверстий по- (рывали порошком металлического кремния толщиной 0,00025-0/0025 . см и Размером чдстиц 500 грит (поставляется Atlantic Equipment Engeneers, New Jersey) и Заполняли карбидом кремния с размером частиц 500 грит, предварительно обожжен- жым на воздухе при 12-50°С в течение 24 ч (J39 кристолон, поставляемый Norton Co.) и Затем полностью погружали в слой частиц

наполнителя размером 500 грит зеленого предварительно обожженного карбида кремния, насыпанного в жаропрочный контейнер. Загрузку нагревали при установлен5 ной рабочей температуре процесса 900°С в течение 24 ч на воздухе. Общее время работы печи равнялось 35 ч с 6-ти часовым циклом подъема температуры до рабочего режима и 5-часовым циклом охлаждения. 10 Полученный композитный материал в поперечном сечении показал пару цилиндриче- . ских стенок, взаимосвязанных спицами, так как показано на фиг,9. Внутренний цилиндр имел наружный диаметр около 1,15 см ч 5 толщину стенки око;Ю 0,24 см. Расстояние между парой цилиндрических стенок составляло 0,3 см. Наружный цилиндр им с- л внешний диаметр около 2.65 см и толщи,у стенки 0,24 см.

0Состав полученного композита определяли рентгеноструктурным анализом и методом оптической микроскопии. Композит .содержал глиноземную матрицу, внедренную в наполнитель из карбида кремния.

5П р и м е р 2. Пример 1 повторяли, но засыпкой наполнителя служила смесь 70% глинозема Т64 (около 325 меш, постав. Alcoa) и 30% ЕРК (каолин, поставл. Feldspar Corp., Edgar, FL) и загрузку нагревали при

0 установленной температуре процесса 1СОО°С в течение 40 ч в атмосфере воздуха. Была получена пара концентрических цилиндрических стенок ,взаимосвязанных ребрами жесткости, так как показано на фиг.9.

5 Стенка внутреннего цилиндра была толщи- - ной 0,15см при наружном диаметре 1,65см.. Толщина стенки наружного цилиндра составляла 0,15 см, внешний диаметр около 1,65 см. Расстояние между цилиндрически0 ми сменками равнялось 0,3 см.

Пример 3. Повторяли пример 2, но

засыпкой наполнителя служил глинозем

(А17, 325 ме, Alcoa) и загрузку наг ,-сзэли при

установленной рабочей температуре

5 100С°С4Э ч после 5-часового выхода печи на рабочий режим и 5-часового цикла охлаждения печи. Получали пару концентрических цилин дг -иесжх стенок, взаимосвязанных pe6psi/.n жесткости. Наружный диаметр

0 внешней цилиндрической стенки составлял 0,15 см г.р-; толщине стенки 0,24 cv. Толщина стенки внутреннего цилиндра составляла 0,24 см и наружный диаметр 2,65 см. Расстояние между парой цилиндрических стен IK

5 составляло 0,3 см.

Пример 4, Цилиндрическую трубу длиной 2,5 см из г.плава алюминия 380,1 (аналогично показанному на фиг,2) полностью погружали в слой корд. -pi i - ..-:- панн ого :; ;.-; ;; ; ; . . :ор.

Цилиндрическая труба имела длину 2,5 см и наружный диаметр 2,5 см и стенки имели поперечные отверстия диаметром 0,25 см. Внутреннюю стенку цилиндра и стенки поперечных отверстий заполняли кордиерит- ным наполнителем. Сборку нагревали при установленной температуре 1000°С в течение 40 ч на воздухе. Общее время работы печи составляло 50 ч с 5-часовым циклом разогрева и 5-часовым циклом охлаждения. Прорастание керамического композитного материала в пару концентрических цилиндрических стенок, взаимосвязанных ребрами жесткости, было очень однородным, Наружный диаметр внешней цилиндрической стенки составлял примерно 2,65см при .толщине стенки 0,15 см. Внутренняя керамическая стопка была толщиной около 0,15 см и наружный диаметр составлял 1,65 см. Расстояние между парой цилиндрических стенок составляло около 0,3 см.

Эти примеры осуществления зсбрете- ния показывают полезность изобретения и специалистам в данной области понятны многочисленные сочетания и вариации, возможные в объеме изобретения.

Формула изобрете.ния 1. Способ получения изделия из композиционного материала, включающий размещение заготовки основного металла и слое дисперсного огнеупорного инертного наполнителя, проницаемого в условиях процесса для оксиданта и инфильтруемого продукта реакции, нагрев в реакционной га- зообразной среде до температуры, превышающей точку плавления металла заготовки, но меньшей точки плазления продукта, его взаимодействия с окс.идан- том, и выдержку в течзнмо времени, достаточного для полной инфильтрации металла и продукта его взаимодействия с оксидан- том в наполнитель и образовании изделия, охлаждение и отделение издепич от избытка наполнителя, о т л и ч а ю и.- и я тем,

что, с целью получения изделия, содержащего несколько коаксиально расположенных пространственно разделенных стенок,, имеющих замкнутый контур и инверсионно

отображающих геометрию заготовки основного металла, заготовку выполняют в виде тела, имеющего по меньшей мере одну открытую полость, а наполнитель размещают ч снаружи заготовки ив полости.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что наполнитель дополнительно содер- жит опорную зону, самосвязывагащуюся при температуре, превышающей точку плавления металла заготовки, но не превышающей температуру взаимодействия.

3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что заготовка основного металла -имеет форму полого цилиндра.

4. Способ по п.1, о т ли ч а ю щ и и с я тем, что заготовка основного металла содержит несколько концентрических цилиндров.

5. Способ по п.1, о т л ич а ю щ и и с я тем, что заготовка основного металла имеет дополнительно по крайней мере одно отверстие, в которое размещают наполнитель, обеспечивающее образование по крайней мере одного ребра жесткости в конечном изделии.

.6. Способ по пп. 1и2, отличающийс я гом, что основным металлом является металл, из группы: Si, Ti, Sn, Zr, Hf, легированный алюминий.

7. Способ по пп. 1, 2 и 5, о г л и ч а ю- щ и и с я тем, что оксидзптогл является по крайней мере один из группы: кислородсодержащий или азотсодержащий газ, дпок- с.ид кремния, бор, углерод, кордиерит, восстановимое соединение.

8. Способ по пп. 1-6, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что в качестве наполнителя используют по крайней мере один компонент из группы: , СеО;, НЮ-2, 2г02, ТЮ2, Si02, MgO, В20з, Мв20з, где Me - La, NcJ, Pr, Sm, Sc, Y, N02, ПЮз, нитрид, карбид или борид.

4

4

rV

Фаг. г

Фиг Л

// U2 16 Iff //&1512

/: / /- ////

рЈ/г.7

Г6 ff

29

24

16 f5 12 13 fd

30

cptt&.f0

3d

JJ

4 Cf&/f

37