NO145006B - Sammensatt siliciumcarbidholdig gjenstand og fremgangsmaate ved fremstilling derav - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår kompositter av lett maskinerbare siliciumcarbidmaterialer i form av et sammenhengende lag på en siliciumcarbidholdig' grunngjenstand og en fremgangsmåte ved fremstilling derav.

En fremgangsmåte er blitt beskrevet for fremstilling av sammensatte siliciumcarbid-siliciumgrunnmassematerialer ved infiltrering av.carbonfibre med smeltet silicium. Selv om de erholdte siliciumcarbid-siliciumgrunnmassematerialer og fremgangsmåten for fremstilling av formede gjenstander derav repre-senterte et betydelig fremskritt ved fremstilling av formede keramiske gjenstander som skulle utsettes for store påkjenninger^urider bruk,

har det vist seg at i en rekke tilfeller er slagseigheten til de formede keramiske gjenstander ikke tilstrekkelig høy til at disse vil kunne anvendes for en rekke formål.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den erkjennelse

at lett maskinerbare reaksjonsprodukter som er basert på infiltrering av smeltet silicium, kan fremstilles ved å la smeltet silicium infiltrere en i det vesentlige jevn blanding av partikkelformig carbon og bornitridpartiklér.

De ildfaste sammensatte siliciumcarbidgjenstander -ifølge oppfinnelsen har sterkt forbedret skårslagseighet sammenlignet med kjente formede, ildfaste siliciumcarbidgjenstander. Disse sammensatte gjenstander av siliciumcarbid eller silicium-siliciumcarbid har et ildfast grunnmateriale og et ytre sammenhengende låg av det ovenfor beskrevne maskinerbare reaksjonsprodukt basert på infiltrert smeltet silicium. De sammensatte siliciumcarbidgjenstander ifølge oppfinnelsen kan. fremstilles ved å innføre smeltet silicium i en form, hvorved det maskinerbare nabolag i kontakt med grunngjenstanden dannes, på stedet. Den sistnevnte siliciumcarbidgrunngjenstand kan dessuten lages samtidig med dannelsen av det tilstøtende lag ved å la smeltet silicium infiltrere grunngjenstanden når den foreligger i form av en carbonfiberpreform. •

'• Oppfinnelsen angår således en sammensatt gjenstand,. fortrinnsvis^, i form av en gassturbindekselseksjon, en flymotor-dekselseksjon eller et overgangsstykke for gassturbiner, og gjenstanden er særpreget ved at den omfatter en ildfast grunngjenstand og et.tilstøtende, maskinerbart, ytre lag, hvor det

tilstøtende, maskinerbare, ytre lag utgjøres av infiltrerings-produktet dannet ved omsetning av smeltet silicium med ett eller eventuelt to lag av en i det vesentlige jevn blanding omfattende (A) 45-90 volum% partikkelformig carbon eller 45-90 volum% av en blanding av partikkelformig carbon og silicium-carbidpartikler, idet siliciumcarbidpartiklene kan være tilstede i en mengde av opp til samme volumandel som det partikkelformige carbon, og (B) 10-55 volum% av partikkelformig bornitrid med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse av 0,l-2000yUm, idet de eventuelle to lag har et mellomlag av carbonfibre, og hvor den ildfaste grunngjenstand utgjøres av et formet, ildfast siliciumcarbidlegeme, et silicium-siliciumcarbidlegeme eller av infil-treringsproduktet dannet ved omsetning av smeltet silicium og en carbonfiberpreform.

Oppfinnelsen angår dessuten en fremgangsmåte ved fremstilling av en sammensatt siliciumcarbidgjenstand som omfatter en ildfast grunngjenstand og et vedheftende, maskinerbart eller formbart lag, og fremgangsmåten er særpreget ved de trinn at (1) smeltet silicium innføres i en form som er i det vesentlige fylt med partikler og en grunngjenstand, idet grunngjenstanden består av

(1) en formet masse av siliciumcarbid

(ii)en formet masse av silicium og siliciumcarbid eller

(iii)en carbonfiberpreform,

og partiklene omfatter en jevn blanding av 45-90 volum% partikkelformig carbon og 10-55 volum% partikkelformig bornitrid, (2) det smeltede silicium får fullstendig infiltrere formen samtidig som reaksjonsgasser slippes ut fra formen, og (3) den erholdte siliciumcarbidholdige gjenstand fjernes fra formen.

Blant de typer partikkelformig carbon som kan anvendes ifølge oppfinnelsen er carbonfibre eller grafittfibre, forkullede plantefibre, lampesort, findelt, kull, tre eller trekull etc.

Det partikkelformige bornitrid har en gjennomsnittlig aggregat-størrelse av l-2000yUm. Det vil forstås at enkelte krystallitter eller småpartikler som aggregatene kan omfatte, kan være vesentlig mindre.

Ytterligere særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgår av tegningene, hvor det på

På Fig.l er vist en form fylt med en blanding av carbonpartikler og partikkelformig bornitrid, og over formen er vist siliciumpulver eller -korn i kontakt med carbonfiberveker og som utgjør en kilde for smeltet silicium som skal infiltrere blandingen av carbonpartikler og bornitridpartikler.

På Fig. 2 er vist hvorledes en sammensatt siliciumcarbidgjenstand kan fremstilles ved en utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte, hvor smeltet silicium ledes inn i et formhulrom som inneholder en ildfast grunngjenstand i kontakt med en tilstøtende preform som består av en blanding av carbonpartikler og partikkelformig bornitrid. Siliciumkilden holdes på plass i rommet over formhulrommet.

På Fig. 3 er silicium vist i kontakt med carbonveker over en form. Formen er fylt med en carbonfiberpreform som er omgitt av en tilstøtende preform av en blanding av partikkelformig carbon og partikkelformig bornitrid.

På Fig; 4.er vist bruk av en flerlags tilstøtende preform på en grunngjenstand for fremstilling av en ytterligere type av den sammensatte gjenstand ifølge oppfinnelsen.

På Fig. 1 er vist et apparat for fremstilling av maskinerbare støpestykker som utgjør det tilstøtende, ytre lag for de sammensatte gjenstander ifølge oppfinnelsen. På tegningen er vist et sideriss av en formstøtte 10 og en pulverformig silicium-charge 11. Smeltet silicium kan bringes til å infiltrere blandingen av partikkelformig carbon og partikkelformig bornitrid 13 ved en temperatur av 1400-1700°C via veker 12 som kan utgjøres av carbonfibre, som WYK-snor eller WYB-tau fra Union Carbide med en typisk lengde av. 3 cm. Gjennom utslippsåpningene 14 og 15 for varm gass kan en trykkøkning i formen oppheves.

Det pulverformige silicium kan smeltes ved å anbringe apparatet ifølge Fig. li en egnet ovn. Om ønsket kan oppvarm-ingsviklinger anvendes rundt den pulverformige siliciumkilde. Et formslippmiddel, som bornitrid, kan sprøytes på formens inner-vegger .

På Fig. 2 er vist et sideriss av en form med en grunndel 23 av ildfast siliciumcarbid som omfatter ildfaste materialer av silicium-siliciumcarbid. Ved 22 er vist tilstøtende, selvbærende preformer av blandingen av carbonpartikler og bornitridpartikler. Om ønsket kan de tilstøtende preformer være laget med en rekke forskjellige utformninger fra pastaer av blandingen av partikkelformige bestanddeler ved hjelp av standard metoder. Det smeltede silicium fra den pulverformige siliciumkilde 20 bringes til å infiltrere via carbonveker 21 slik at det på stedet dannes et sammensatt materiale av det ildfaste grunnmateriale og et maskinerbart, føyelig, tilstøtende lag.

På Fig. 3 er vist en ytterligere måte for fremstilling av

et sammensatt materiale ved en "in situ" metode for fremstilling av et ildfast grunnmateriale av silicium-siliciumcarbid med et føyelig, maskinerbart, ytre lag. En smeltet siliciumkilde er vist ved 30 og carbonfiberveker ved 31. Tilstøtende lag av blandingen av carbonpartikler og bornitridpartikler er vist ved 32. Ved 33 er vist en carbonfiberpreform som kan fremstilles ved anvendelse av standard metoder.

Som anvendt nedenfor omfatter betegnelsen carbonfiber eller -filamenter handelstilgjengelige carbonfibre som definert ovenfor. Carbonfibrene omfatter f.eks. "høyfast" grafitt med en typisk strekkfasthet av 17577 kg/cm , en bruddgrense av 1,4 x 10 kg/cm og en egenvekt i forkullet tilstand av 1,6 g/cm^, som beskrevet i US patentskrift nr. 3412062. Carbonfiberen har fortrinnsvis en spesifikk vekt av 1,3-1,5 og omfatter f.eks. WYK-snor eller WYB- tau fra Union Carbide Corporation eller andre forkullede fibre, som en carbonfilt. Foruten forkullede rayonfibre kan hvilke som helst carbonfibre med en spesifikk vekt som definert ovenfor og avledet fra polymere eller naturlige organiske materialer, som polyacrylnitril eller polyacetylen, som beskrevet i US patentskrift nr. 3852235, polyvinylklorid eller polyvinyl-acetat etc., anvendes. Uttrykket "preform" som anvendt heri skal betegne fortrinnsvis en formet gjenstand av orienterte carbonfibre. For fremstilling av en preform behandles et carbon-fibertau, en carbonfibersnor eller en carbonfiberduk med smeltet voks eller et annet bindemiddel, som cellulosenitrat 'eller kolloidal grafitt etc.

På Fig. 4 er vist en grunngjenstand 45 i kontakt med en flerlags, tilstøtende, føyelig, ytre gjenstand 42-44. Grunngjenstanden kan bestå av et ildfast siliciumcarbid, som vist på Fig. 2,eller av en carbonfiberpreform, som vist på Fig. 3.

Den tilstøtende laggjenstand består av en preformblanding av carbonpartikler og bornitridpartikler 42, et midtre lag av carbonfiber eller carbonplate 43, og en annen preform 44 lignende preformen 42. Det maskinerbare, tilstøtende lag og grunngjenstanden gis forbedret skårslagseighet og seighet ved infiltrering av smeltet silicium.

Ved den foreliggende fremgangsmåte kan de ovenfor beskrevne sammensatte gjenstander ifølge oppfinnelsen fremstilles i form av gassturbindekselseksjoner, flymotordekselseksjoner, gassturbin-overgangsstykkér, dieselmotorstempler og -ringer, varmevekslerrør, senker for varmsmiing, brennerforinger, utsatte deler for smelte-reaktorer og slitefaste fliser etc.

Ved fremstilling av de ovennevnte sammensatte gjenstander ifølge oppfinnelsen kan det tilstøtende, maskinerbare lag påføres på grunngjenstanden direkte eller ved at det dannes på stedet ved infiltrering av smeltet silicium. Det tilstøtende lag med en tykkelse av 0,25-2,54 cm eller derover kan fremstilles på en egnet grunngjenstand Hvor det tilstøtende lags tykkelse på tilsvarende måte kan variere fra 0,1 til 100 ganger grunn-gjenstandens tykkelse.

I de nedenstående eksempler er alle deler basert på vekt dersom intet annet er angitt.

Eksempel 1

En blanding av 25 vekt% eller 20 volum% bornitrid som selges under betegnelsen SHP-40, og 75 vekt% eller 80 volum% av en grafitt-suspensjon som selges under betegnelsen kvalitet AE, ble blandet til en tykk pasta. Denne ble derefter formet til et flatt rektangel med en tykkelse.av 3,18 mm som fikk tørke i luft.

En form ble fremstilt fra grafitt som selges under varemerket Armco Speer<4*>580 og som hadde en opprinnelig tykkelse av ca. 19 cm, ved å maskinere denne for fremstilling av et formhulrom på 3,18 x 3,18 x 7 6,2 mm. Formhulrommets innside ble derefter belagt med en bornitridaerosol. Den ovennevnte blanding av bornitrid og grafitt ble derefter delt til den egnede størrelse og plassert i formen.

En carbondigel med en innvendig diameter av 31,8 mm og en høyde av ca. 50,8 mm og med et utboret hull med en diameter av 3,18 mm ved bunnen og med en carbonfiberveke som var ført gjennom hullet, ble anbragt på toppen av formen. Carbonfiberveken var WYK-snor fra Union Carbide Corporation og strakte seg til ca. 3,18 mm over toppen av hullet og sto også i berøring med den ovenfor beskrevne blanding i formen. Digelen ble derefter fylt med faste silicium-stykker under anvendelse av et overskudd av ca. 15% utover den siliciummengde som var nødvendig for å fylle formhulrommet i smeltet tilstand. Montasjen ble derefter overført til en mot-standsovn hvori et vakuum av 1 x 10 torr kunne ppnås. Montasjen ble oppvarmet til en temperatur av ca. 1600UC. Det viste seg at blandingen i formen straks reagerte med det smeltede silicium.

Den sammenstilte form ble holdt i ovnen i ca. 15 minutter efter

at den hadde nådd en temperatur av 1600°C. Den sammenstilte form ble derefter avkjølt, og den erholdte del ble fjernet fra formen. Det ble erholdt en støpt del med de samme dimensjoner som den opp-rinnelige blanding av bornitrid og grafitt.

Ved denne fremgangsmåte besto den støpte del av infiltrasjons-produktet dannet ved omsetning av smeltet silicium og en Handing av. 25 vekt% bornitrid og 75 vekt% grafitt, som uttrykt ved volumet tilsvarte ca. 20 volum% bornitrid og 80 volum% grafitt. Støpe-stykket hadde en egenvekt av 2,1 g/cm 3. Støpestykket ble derefter anbragt i en skruestikke og delt med en stålsag til et prøve-stykke av 3,18 x 48,1 x 3,18 mm. Det viste seg at støpestykket lett kunne maskineres. Den gjenværende del av støpestykket kunne lett files ut med en stålfil. En flat plate med dimensjonene 2, 54 x 5,08 x 0,32 cm. av det ovennevnte maskinerbare støpestykke anbringes som et tilstøtende lag på en 2,54 x 5,08 x 1,27 cm blokk av siliciumcarbid. Det erholdte sammensatte materiale oppvarmes derefter i en ovn i 15 minutter i en inert atmosfære ved en temperatur av 1500°C. Det ble efter avkjøling erholdt en sammensatt gjenstand hvor det maskinerbare støpestykke var enhetlig sveiset på den ildfaste grunngjenstand av siliciumcarbid.

En skårslagprøve ble utført for å sammenligne skårslagseigheten mellom en 2,54 x 5,08 x 12,7 cm blokk av siliciumcarbid og den ovennevnte sammensatte gjenstand. Skårslagseigheten ble fast-slått ved å treffe overflaten av et prøvestykke med en 4,5 mm kule med en hastighet av ca. 200 m/s og med en innfallsvinkel av ca. 80°. Det viste seg at den sammensatte gjenstand av siliciumcarbid med det maskinerbare støpestykke påsveiset i form av et tilstøtende lag hadde en skårslagseighet som var langt bedre enn skårslagseigheten for siliciumcarbidgrunngjenstanden som ikke hadde et slikt tilstøtende lag.

Eksempel 2

Blandinger av grafitt og bornitrid ble fremstilt som beskrevet i eksempel 1 for fremstilling av plater med en tykkelse av ca. 3,18 mm. En form ble derefter maskinert ut av Speer<®>580 grafitt som beskrevet i eksempel 1, med et formhulrom på 2,54 x 7,62 x 0,25 cm. Formen ble belagt med bornitrid. En silicium-carbiddel ble derefter anbragt i formen omgitt av de på forhånd formede strimler av grafitt og bornitrid og oppdelt til en stør-relse som helt fylte formen. Som vist på fig. 2 ble tre hull med en diameter av 3,18 mm skåret inn i toppen av formen, og flere gassutslippshull ble boret inn i bunnen av formen. Carbonfiberveker ble plassert i hullene ved toppen av formen og stakk ut ca. 3,18 mm over toppen av formen og sto i kontakt med bornitrid-grafittstrimlene i formen. Partikkelformig silicium ble derefter fylt i hulrommet over toppen av formen under anvendelse av et overskudd på ca. 15% utover det volum som var nødvendig for at siliciumet i smeltet tilstand fullstendig skulle infiltrere formen.

Som beskrevet i eksempel 1 ble formen og støttekonstruksjonen anbragt i en ovn og oppvarmet til en temperatur av ca. 1600°C. Efter at siliciumet var blitt omdannet til smeltet silicium, fant infiltreringen straks sted. Efter ca. 15 minutter ved 1600°C

ble formet avkjølt.

Delen kunne lett fjernes fra formen fordi formoverflaten

var blitt besprøytet med bornitrid før formen ble fylt med carbon-bornitridstrimlene og siliciumcarbiddelen. Ved denne fremgangsmåte ble det erholdt en sammensatt gjenstand av en ildfast silicium-carbidgrunng j enstand med et ca. 3", 18 mm tilstøtende lag av det

smeltede siliciuminfiltreringsprodukt dannet ved omsetning av smeltet silicium og en blanding av grafitt og bornitrid. Det viste seg at det tilstøtende lag var integrerende bundet til den ildfaste siliciumcarbidgrunngjenstand.

Skårslagseigheten for den ovenfor beskrevne sammensatte gjenstand var i det vesentlige den samme som skårslagseigheten for den sammensatte gjenstand fremstilt ifølge eksempel 1, da stykket av det maskinerbare støpestykke ble sveiset på overflaten av siliciumcarbidgjenstanden ved behandling i en ovn. Foruten at

det hadde en forbedret skårslagseighet viste det tilstøtende lag seg å være lett maskinerbart ved at det lett kunne avslipes ved anvendelse av et diamantsagblad som var istand til å skjære inn i lagets overflate med en hastighet av 0,127-1,270 cm/s. Diamant-skiven hadde en diameter av 10,2 cm og en bredde av 0,95 cm og en diamantkornstørrelse av 150 mesh og roterte med 5500 opm ved en dybde av 0,050 mm og en skjærhastighet av 5,1 mm/s, og trekk-krefter av 90-600 g ble anvendt.

Eksempel 3

En carbonfiberpreform ble fremstilt fra WCA-carbonduk med lav bruddgrense fra Union Carbide Corporation under anvendelse av en vandig, kolloidal suspensjon av grafitt som bindemiddel. Carbonfiberpreformen ble maskinert til en lignende form som vist på fig. 3. Ved fremgangsmåten ifølge eksempel 2 ble strimler av en blanding av bornitrid og grafitt som var blitt formet til en tykkelse av ca. 3,18 mm, anbragt i en 2,54 x 7,62 x 0,25 cm form som på forhånd var blitt belagt med bornitrid og som var

Æs

blitt maskinert fra Speer 580^ grafitt. Rommet over formen ble derefter fylt med siliciumpulver.

Ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge eksempel 2 førte infiltrering av smeltet silicium i formen til fremstilling av en sammensatt gjenstand med en grunngjenstand av silicium-siliciumcarbid og et tilstøtende, ytre lag bestående av reaksjonsproduktet av smeltet silicium med en blanding av grafitt og grafitt-bornitrid. Slagseigheten for den ovennevnte sammensatte gjenstand ble undersøkt som beskrevet i eksempel 1 og viste at den sammensatte gjenstand hadde en forbedret slagseighet sammenlignet med slagseigheten for en ildfast del av silicium-siliciumcarbid som var blitt formet i den samme form, men uten bruk av det ytre, tilstøtende lag av grafitt-bornitrid slik at det var mulig å anvende en proporsjonalt større carbonfiberpreform som var tilstrekkelig til fullstendig å fylle formhulrommet.

Eksempel 4

Som vist på fig. 4 ble en form fremstilt vertikalt for å kunne ta opp en carbonfiberpreform i formen nær en flerlags-tilstøtende gjenstand som besto av carbonduk anbragt mellom to strimler av en blanding av grafitt og bornitrid som ble fremstilt som beskrevet i eksempel 1. Før carbonfiberpreformen og den ovennevnte tilstøtende laggjenstand ble innført, ble formoverflaten belagt med bornitrid på vanlig måte. Smeltet silicium infiltrerte ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge eksempel 2. Efter avkjøling ble en sammensatt del skilt fra formen. Det viste seg at infiltrering av smeltet silicium fant sted i de tilstøtende lag av grafitt-bornitrid og carbinfiberpreformen.

Infiltrering fant også sted i mellomlaget av carbonduk som ut-gjorde en del av det tilstøtende lag. Det viste seg dessuten at det tilstøtende lag på det ildfaste substrat av silicium-siliciumcarbid var noe seigere og mindre maskinerbart enn det tilstøtende lag ifølge eksempel 2. Imidlertid var slagseigheten for den erholdte sammensatte gjenstand bedre enn for den sammensatte gjenstand ifølge eksempel 2.

Claims (2)

1. Sammensatt gjenstand, fortrinnsvis i form av en gassturbindekselseksjon, en f ly motordekselseksjon eller et overgangsstykke for gassturbiner, karakterisert ved at den omfatter en ildfast grunngjenstand og et tilstøtende, maskinerbart ytre lag, hvor det tilstøtende, maskinerbare, ytre lag utgjøres av infiltrer-ingsproduktet dannet ved omsetning av smeltet silicium med ett eller eventuelt to lag av en i det vesentlige jevn blanding omfattende (A) 45-90 volum% partikkelformig carbon eller 45-90 volum% av en blanding av partikkelformig carbon og silicium-carbidpartikler, idet siliciumcarbidpartiklene kan være tilstede i en mengde av opp til samme volumandel som det partikkelformige carbon, og (B) 10-55 volum% av partikkelformig bornitrid med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse av 0,l-2000^um, idet de eventuelle to lag har et mellomlag av carbonfibre, og hvor den ildfaste grunngjenstand utgjøres av et formet, ildfast siliciumcarbidlegeme, et silicium-siliciumcarbidlegeme eller av infiltrer-ingsproduktet dannet ved omsetning av smeltet silicium og en carbonfiberpreform.

2. Fremgangsmåte ved fremstilling av en sammensatt siliciumcarbidgjenstand som omfatter en ildfast grunngjenstand og et vedheftende, maskinerbart eller formbart lag, karakterisert ved de trinn at

(1) smeltet silicium innføres i en form som er i det vesentlige fylt med partikler og en grunngjenstand, idet grunngjenstanden består av

(1) en formet masse av siliciumcarbid (ii) en formet masse av silicium og siliciumcarbid eller (iii) en carbonfiberpreform, og partiklene omfatter en jevn blanding av 45-90 volum% partikkelformig carbon og 10-55 volum% partikkelformig bornitrid,

(2) det smeltede silicium får fullstendig infiltrere formen samtidig som reaksjonsgasser slippes ut fra formen, og

(3) den erholdte siliciumcarbidholdige gjenstand fjernes fra formen.