RU2399601C2 - Method of making non-shrinking structural ceramic article - Google Patents
Method of making non-shrinking structural ceramic article Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399601C2 RU2399601C2 RU2008145313/03A RU2008145313A RU2399601C2 RU 2399601 C2 RU2399601 C2 RU 2399601C2 RU 2008145313/03 A RU2008145313/03 A RU 2008145313/03A RU 2008145313 A RU2008145313 A RU 2008145313A RU 2399601 C2 RU2399601 C2 RU 2399601C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- carried out
- mixture
- primary
- silicon carbide
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/10—Alloys containing non-metals
- C22C1/1084—Alloys containing non-metals by mechanical alloying (blending, milling)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/6261—Milling
- C04B35/62615—High energy or reactive ball milling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
- C04B35/65—Reaction sintering of free metal- or free silicon-containing compositions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
- C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
- C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
- C22C29/065—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on SiC
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3817—Carbides
- C04B2235/3826—Silicon carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
- C04B2235/386—Boron nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/40—Metallic constituents or additives not added as binding phase
- C04B2235/402—Aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
- C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
Abstract
Description
Изобретение относится к области химии, энергетики и технологии производства изделий из конструкционных материалов на основе нитрида бора, алюминия и карбида кремния и может быть использовано для изготовления изделий из высокопрочных, безусадочных керамических материалов, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок в окислительной, коррозионной и агрессивной атмосфере, в частности в энергетических установках.The invention relates to the field of chemistry, energy and technology for the production of products from structural materials based on boron nitride, aluminum and silicon carbide and can be used for the manufacture of products from high-strength, non-shrinking ceramic materials operating under high thermal cyclic loads in an oxidizing, corrosive and aggressive atmosphere , in particular in power plants.
Известен композитный керамический материал на основе нитрида бора и нитрида кремния [1], применяемый для работы в тяжелых условиях. Однако такой материал имеет недостаточно высокую стойкость к коррозии и воздействию повышенных температур.Known composite ceramic material based on boron nitride and silicon nitride [1], used to work in difficult conditions. However, such a material is not sufficiently resistant to corrosion and exposure to elevated temperatures.
Известен композитный материал на основе карбида кремния [2], который в одном из указанных вариантов упрочнен волокном из карбида кремния, а втором - волоконную заготовку, содержащую не оксидное керамическое волокно, имеющее покрытие с элементом из группы, образованной углеродом, азотом, алюминием и титаном, а также имеющий матричный сплав на основе кремния. Изобретение позволяет получать конструкционные керамические материалы с высокими аэродинамическими и физико-химическими показателями. Однако известный композитный материал имеет недостаточно высокую теплопроводность и предельную прочность, а также высокую усадку.A known composite material based on silicon carbide [2], which in one of these options is reinforced with fiber from silicon carbide, and the second is a fiber preform containing non-oxide ceramic fiber having a coating with an element from the group formed by carbon, nitrogen, aluminum and titanium as well as having a silicon-based matrix alloy. The invention allows to obtain structural ceramic materials with high aerodynamic and physico-chemical characteristics. However, the known composite material has insufficiently high thermal conductivity and ultimate strength, as well as high shrinkage.
Известен структурированный керамический материал [3], наиболее близкий к заявляемому изобретению в части предложенного нового конструкционного керамического материала. Известный керамический материал содержит гомогенную смесь нитрида бора, алюминия и связующего в жидком или пастообразном состоянии; он устойчив при высокой температуре в окислительной и коррозионной атмосфере.Known structured ceramic material [3], closest to the claimed invention in terms of the proposed new structural ceramic material. Known ceramic material contains a homogeneous mixture of boron nitride, aluminum and a binder in a liquid or pasty state; It is stable at high temperature in an oxidizing and corrosive atmosphere.
Недостатками известного технического решения являются высокая усадочность керамического материала и изделий, изготовленных из такого материала при их работе в агрессивной атмосфере, например, в энергетических установках с повышенными жесткими требованиями к термостойкости, коррозии, окислительным и другим требованиям к конструкционным керамическим изделиям с точки зрения их срока службы, механической прочности и долговечности.The disadvantages of the known technical solutions are the high shrinkage of the ceramic material and products made from such a material when they are operated in an aggressive atmosphere, for example, in power plants with increased stringent requirements for heat resistance, corrosion, oxidative and other requirements for structural ceramic products in terms of their term service, mechanical strength and durability.
Известен способ получения композиционного материала для конструкционного назначения [4], который основан на пропитке заготовки из керамического волокна неорганическим золем с последующим формованием и обезвоживанием заготовки путем ее деформирования с поэтапной первичной и вторичной сушками и предварительной пропитке кремнийорганическим полимером после первого этапа сушки. Однако известный способ не позволяет получать конструкционный керамический материал, изделие из которого соответствовало бы жестким требованиям работы в агрессивной атмосфере.A known method of producing a composite material for structural purposes [4], which is based on the impregnation of a ceramic fiber preform with an inorganic sol, followed by molding and dewatering of the preform by deforming it with stepwise primary and secondary drying and preliminary impregnation with an organosilicon polymer after the first drying stage. However, the known method does not allow to obtain structural ceramic material, the product of which would meet the stringent requirements of work in an aggressive atmosphere.
Известен способ изготовления керамического материала конструкционного назначения [5], который включает смешивание порошкообразной композиции оксидов алюминия, титана, магния, карбида титана и кубического нитрида бора в шаровой мельнице, горячее прессование под давлением, брикетирование и отжиг. Способ позволяет получить изделия с высокой износостойкостью. Однако известный способ не позволяет получать конструкционные керамические изделия с низкой усадкой, а также допускает обработку изделий только с помощью дорогостоящих алмазных инструментов.A known method of manufacturing ceramic material for structural purposes [5], which includes mixing a powder composition of oxides of aluminum, titanium, magnesium, titanium carbide and cubic boron nitride in a ball mill, hot pressing under pressure, briquetting and annealing. The method allows to obtain products with high wear resistance. However, the known method does not allow to obtain structural ceramic products with low shrinkage, and also allows the processing of products only with the help of expensive diamond tools.
Известен способ получения изделий на основе нитрида кремния [6], включающий измельчение и смешение кремнийсодержащего компонента с ускорителем азотирования и последующего формования заготовки, имеющей повышенную стойкость к коррозии и воздействию температур. Однако известный способ не позволяет получать конструкционные керамические изделия с низкой усадкой, а также допускает обработку изделий только с помощью дорогостоящих алмазных инструментов.A known method of producing products based on silicon nitride [6], including grinding and mixing a silicon-containing component with a nitriding accelerator and subsequent molding of the workpiece, which has increased resistance to corrosion and temperature. However, the known method does not allow to obtain structural ceramic products with low shrinkage, and also allows the processing of products only with the help of expensive diamond tools.
Известен способ получения изделий на основе нитрида кремния для наземных энергетических установок и других объектов техники [7], работающих в атмосфере продуктов сгорания топлива и других агрессивных средах, в котором для повышения стойкости материала к окислению и к высоким температурам осуществляют измельчение и смешение кремнийсодержащего компонента с ускорителем азотирования, формование заготовки из полученной смеси, азотирование заготовки при высоких температурах с последующим снижением пористости заготовки специальной пропиткой с последующей термообработкой в среде азота и в засыпке нитрида кремния и нитрида бора. Однако известный способ не позволяет получать конструкционные керамические изделия со свойствами, обеспечивающими их работу в жестких условиях агрессивных сред.A known method of producing products based on silicon nitride for surface power plants and other objects of technology [7] operating in the atmosphere of fuel combustion products and other aggressive environments, in which to increase the resistance of the material to oxidation and high temperatures, grinding and mixing of the silicon-containing component with nitriding accelerator, molding the preform from the resulting mixture, nitriding the preform at high temperatures, followed by a decrease in the porosity of the special prop Coy, followed by heat treatment in nitrogen atmosphere and filling the silicon nitride and boron nitride. However, the known method does not allow to obtain structural ceramic products with properties that ensure their operation in harsh environments.
Известен способ изготовления структурированного керамического изделия из нитрида алюминия [3], наиболее близкий к заявляемому изобретению в части предложенного второго независимого пункта формулы изобретения, касающегося способа получения нового конструкционного керамического материала. Общим с заявленным способом является металлокерамическое состояние, которое в известном способе достигается пропиткой заготовки алюминием, а в заявленном - вакуумным спеканием.A known method of manufacturing a structured ceramic product from aluminum nitride [3], closest to the claimed invention in terms of the proposed second independent claim, regarding the method of obtaining a new structural ceramic material. In common with the claimed method is the cermet state, which in the known method is achieved by impregnation of the billet with aluminum, and in the claimed method by vacuum sintering.
Известный способ включает последовательность стадий получения гомогенной смеси нитрида бора, алюминия и связующего, способного затвердевать в результате сушки, дальнейшее формование полученной смеси с последующим прессованием и нагревом до температуры, при которой происходит отверждение связующего, которое потом удаляют путем нагрева; затем проводят пропитку пор погружением в расплав алюминия, его извлечение и охлаждение с последующей механической обработкой до получения из болванки изготавливаемого изделия, термообработку для получения высокопрочной керамики на основе нитрида алюминия.The known method includes a sequence of steps for producing a homogeneous mixture of boron nitride, aluminum and a binder capable of hardening as a result of drying, further molding the resulting mixture, followed by pressing and heating to a temperature at which the binder cures, which is then removed by heating; then pores are impregnated by immersion in aluminum melt, it is extracted and cooled, followed by mechanical processing until the manufactured product is obtained from the blank, and heat treatment is performed to obtain high-strength ceramic based on aluminum nitride.
Недостатками известного способа получения конструкционного керамического изделия являются недостаточно высокая механическая прочность, неспособность к равномерному спеканию, высокая усадка изделий, изготовленных из такого материала, при работе в тяжелых условиях агрессивной атмосферы, например, в энергетических установках с повышенными жесткими требованиями к термостойкости, коррозии, окислительным и другим требованиям, предъявляемым к качеству и механической прочности конструкционных керамических изделий с точки зрения их термостойкости, долговечности и других параметров, влияющих на срок службы изделий из полученного керамического материала.The disadvantages of the known method of obtaining structural ceramic products are not sufficiently high mechanical strength, the inability to uniform sintering, high shrinkage of products made from such a material when working in harsh conditions of an aggressive atmosphere, for example, in power plants with high stringent requirements for heat resistance, corrosion, oxidative and other requirements for the quality and mechanical strength of structural ceramic products in terms of their terms resistance, durability and other parameters affecting the service life of products from the resultant ceramic material.
Технический результат заявленного изобретения состоит в придании материалу свойства сохранять линейные размеры (безусадочность), достижения высокой жаропрочности, механической прочности, долговечности и увеличения за счет этих свойств срока службы изделий, изготовленных из этого материала.The technical result of the claimed invention is to give the material properties to maintain linear dimensions (shrinkage), to achieve high heat resistance, mechanical strength, durability and increase due to these properties the service life of products made from this material.
Указанный технический результат способа получения безусадочного конструкционного керамического изделия, заключающийся в предварительном рассеве исходного сырья, включающего нитрид бора и алюминий, подготовке из него шихты, из которой формируют первичные заготовки, которые последовательно подвергают сушке и измельчению, формированию изделий, механической обработке, азотированию и окислению, достигается тем, что исходное сырье дополнительно содержит карбид кремния при следующем соотношении компонентов, мол. %: нитрид бора 12,5-17,5, алюминий 37-43, карбид кремния 42,5-46, после рассева осуществляют глубокую очистку исходного сырья, перед формовкой первичных заготовок и изделий проводят механическую активацию шихты, а после сушки первичных заготовок и перед механической обработкой изделий проводят их вакуумное спекание в интервале температур от 1150 до 1250°С с остаточным давлением 0,05 атм, а механическую активацию проводят в планетарных мельницах.The specified technical result of a method for producing a non-shrinking structural ceramic product, which consists in preliminary screening of the feedstock, including boron nitride and aluminum, preparing a charge from it, from which primary workpieces are formed, which are subsequently subjected to drying and grinding, product formation, machining, nitriding and oxidation , is achieved by the fact that the feedstock additionally contains silicon carbide in the following ratio of components, mol. %: boron nitride 12.5-17.5, aluminum 37-43, silicon carbide 42.5-46, after sieving, deep cleaning of the feedstock is carried out, mechanical activation of the charge is carried out before forming the primary blanks and products, and after drying the primary blanks and Before mechanical processing of products, they are vacuum-sintered in the temperature range from 1150 to 1250 ° C with a residual pressure of 0.05 atm, and mechanical activation is carried out in planetary mills.
Кроме того, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что механическую активацию в планетарных мельницах проводят с ускорением не менее 7-8 g, так как при этих ускорениях достигается большая степень передачи механической энергетики разрушения в кристаллическую решетку компонентов.In addition, the specified technical result according to the claimed method is achieved by the fact that mechanical activation in planetary mills is carried out with an acceleration of at least 7-8 g, since with these accelerations a greater degree of transfer of the mechanical energy of destruction to the crystal lattice of the components is achieved.
Помимо этого, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что первичные заготовки помещают на подложки, разогретые до 300°С, после чего их подвергают вакуумному спеканию, которое проводят в течение не менее 1 часа со скоростью подъема температуры 7-10°С в минуту.In addition, the specified technical result according to the claimed method is achieved by the fact that the primary preforms are placed on substrates heated to 300 ° C, after which they are subjected to vacuum sintering, which is carried out for at least 1 hour at a rate of temperature rise of 7-10 ° C a minute.
Кроме этого, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что высокотемпературный обжиг проводят в низкоградиентных печах с градиентом температуры на 10 см ниже 1°С с продолжительностью не менее 100 часов при температуре 1200-1300°С на воздухе.In addition, the specified technical result according to the claimed method is achieved by the fact that high-temperature firing is carried out in low-gradient furnaces with a temperature gradient of 10 cm below 1 ° C with a duration of at least 100 hours at a temperature of 1200-1300 ° C in air.
Лабораторные исследования заявленного способа получения безусадочного конструкционного керамического материала проводились в Санкт-Петербургском государственном университете, в результате которых многоразовые испытания подтвердили получение принципиально нового конструкционного керамического материала (с условным названием «СИАЛ»), а его производственное испытания, которые проводились на базе производственных мощностей научно-исследовательского Центра «Керамические Двигатели» им. A.M.Бойко», подтвердили высокую способность изделий и/или деталей, изготовленных из этого материала, работать в агрессивных средах за счет приобретения таких важных свойств, как минимальная усадка (на стадии превращения кермета в керамику не более 0,5%); высокие допускаемые напряжения на сжатие (не менее 450 МПа) и на изгиб (не менее 130 МПа) при работе изделий в жестких условиях при высоких рабочих температурах материала (не менее 1400°С); высоких жаростойкости, износостойкости и коррозионной стойкости; обрабатываемости на стадии кермета обычным металлорежущим инструментом. Проведенные производственные испытания подтвердили максимально возможную надежность работы испытуемых изделий и деталей, изготовленных из заявленного материала, при их работе в жестких условиях, в частности, при использовании в высокотемпературных керамических газовых турбинах и турбинных установках, а также промышленную применимость заявленного материала и способа его получения, причем со стоимостью, сопоставимой с аналогами, но существенно отличающимися от них приобретенными более высокими и качественно важными свойствами для работы в агрессивных средах, такими, например, новыми свойствами, как безусадочность, высокая жаростойкость, высокие напряжения на сжатие и изгиб и др., совершенно необходимые для конструкционных керамических материалов, используемых в высокотемпературном газотурбостроении.Laboratory studies of the claimed method for producing non-shrinking structural ceramic material were carried out at St. Petersburg State University, as a result of which repeated tests confirmed the receipt of a fundamentally new structural ceramic material (with the code name "SIAL"), and its production tests, which were carried out on the basis of production facilities, were scientifically Research Center "Ceramic Engines" named after A.M. Boyko ”, confirmed the high ability of products and / or parts made of this material to work in aggressive environments by acquiring such important properties as minimal shrinkage (at the stage of converting cermet into ceramics no more than 0.5%); high allowable stresses in compression (not less than 450 MPa) and in bending (not less than 130 MPa) when the products are operated in harsh conditions at high operating temperatures of the material (not less than 1400 ° С); high heat resistance, wear resistance and corrosion resistance; machinability at the cermet stage with a conventional metal cutting tool. The conducted production tests have confirmed the maximum possible reliability of the test products and parts made of the claimed material when operating under harsh conditions, in particular when used in high-temperature ceramic gas turbines and turbine installations, as well as the industrial applicability of the claimed material and the method for its preparation, moreover, with a cost comparable with analogues, but significantly different from them, acquired higher and qualitatively important properties for p bots in corrosive environments, such as for example with new properties such as dimensional stability, high heat resistance, high compressive stress and bending et al., absolutely necessary for structural ceramic materials used in high temperature gas turbine manufacture.
Заявленный способ получения конструкционного керамического материала поясняется конкретной технологической схемой и конкретными исходными материалами, используемыми Заявителем при непосредственном синтезе материала и последующем испытании изготовленных из него изделий.The claimed method for producing structural ceramic material is illustrated by a specific technological scheme and specific starting materials used by the Applicant in the direct synthesis of the material and the subsequent testing of products made from it.
Для производства кермета в качестве сырья были использованы нитрид бора (BN), карбид кремния (SiC), порошок алюминия (А1), этиловый спирт (ЭС), Уайт спирит (УС), бензин (Б), натуральный каучук (НК), при этом каждый из исходных компонентов выбирался по свойствам, сопоставимым с известными стандартами, в частности нитрид бора (BN) соответствовал марке ГМ (ТУ 2-036-1045-88); карбид кремния (SiC) - марке СЧ (ТУ 2471-002-23231103-97); порошок алюминия (А1) - марке ПА-4 (ГОСТ 6058-73; этиловый спирт ректифицированный - марке ч.д.а. (ТУ 2632-015-11291058-95); уайт-спирит - марке С4 155-200; бензин - марке БР-1 ТУ 38.401-67-108; натуральный каучук - марке ТУ 22-718-9604.For the production of cermet, boron nitride (BN), silicon carbide (SiC), aluminum powder (A1), ethanol (ES), white spirit (US), gasoline (B), natural rubber (NK) were used as raw materials this, each of the starting components was selected according to properties comparable with the known standards, in particular boron nitride (BN) corresponded to the brand GM (TU 2-036-1045-88); silicon carbide (SiC) - brand MF (TU 2471-002-23231103-97); aluminum powder (A1) - grade PA-4 (GOST 6058-73; rectified ethyl alcohol - grade of analytical grade (TU 2632-015-11291058-95); white spirit - grade C4 155-200; gasoline - brand BR-1 TU 38.401-67-108; natural rubber - brand TU 22-718-9604.
При подготовке шихты производился предварительный рассев путем рассеивания исходных компонентов на ситовом анализаторе, помещенном на вибростенде, с отбором фракции менее 40 мкм, которую в дальнейшем использовали для приготовления шихты. Отсеянные компоненты кермета смешивали в пропорциях BN 12,5-17,5 мол.%, SiC 42,5-46 мол. %, А1 37-43 мол. % с оптимальным соотношением компонентов 15/45/40 мол. %. При этом предварительно смешивали BN и SiC и подвергали помолу и механической активации в планетарной мельнице, футерованной агатом, карбидом кремния или корундом шарами того же материла, что и футеровка. Режим помола выбирали от 250 до 450 об/мин 200-320 реверсивных смен продолжительностью по 4-8 мин и оптимальным соотношением (380/240/5). При этом в шихту вносили расчетное количество А1, а также ЭС (из расчета 11 мл на 100 г шихты) и подвергали дальнейшему помолу и механической активации в тех же условиях (т.е. в планетарной мельнице, футерованной агатом, карбидом кремния или корундом шарами того же материала, что и футеровка), а режим помола выбирали от 100 до 120 об/мин 100-130 реверсивных смен с той же продолжительностью (т.е. по 4-8 мин) и оптимальным соотношением (110/110/5). Приготовление связующего осуществляли растворением 1,1 г НК в 100 мл смеси УС (50 об.%) и Б (50 об.%). В полученную шихту вносили связующие из расчета 3,5 мл на 100 г шихты, после чего шихту, содержащую связующее, подвергали помолу в планетарной мельнице в агатовой футеровке агатовыми шарами со скоростью вращения 350 оборотов в минуту с 10 реверсивными сменами по 5 мин. Следующий этап заявленного способа состоял в формовке первичных заготовок: формовали из шихты первичные заготовки цилиндрической формы длиной 5 см и диаметром 3 см в гидравлическом прессе под давлением 30 т/см2. После формовки проводили сушку первичных заготовок, как минимум, в два этапа: вначале на воздухе в течение 24 часов, затем в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 10 часов. Предварительные заготовки подвергали вакуумному спеканию, которое проводили в вакуумной печи, куда эти заготовки помещали на приготовленные подложки, предварительно разогретые до 300°С; в результате этого процесса происходило вакуумирование рабочего объема до остаточного давления около 10-3 атм, а нагрев осуществляли до 1150°С со скоростью 10°С /мин с точностью поддержания температуры ±2°С и при непрерывной поддержке заданного разряжения. Последующий обжиг заготовок проводили в течение 4 часов, после чего заготовки охлаждали постепенно вместе с печью. Полученные предварительные заготовки измельчали и отсеивали на ситовом анализаторе. Дробление осуществляли до тех пор, пока вся масса заготовки не проходила через сито 200 мкм. На достижение указанного выше технического результата заявленного изобретения существенное влияние оказала принципиально новая последовательность процесса - за счет использования процедуры механической активации, которой подвергалась полученная измельченная шихта. Механическую активацию проводили в планетарной мономельнице футерованной агатом, карбидом кремния или корундом шарами того же материала, что и футеровка. Выбирали иной режим помола от 400 до 450 об/мин 200-320 реверсивных смен продолжительностью по 4-8 мин при оптимальном соотношении (450/300/5). При этом в шихту добавляли порядка 10 вес.% порошка А1, а также связующее в расчете 3,5 мл на 100 г шихты. После этого измельченную шихту, содержащую конкретное связующее, подвергали помолу в планетарной мельнице в агатовой футеровке агатовыми шарами со скоростью вращения 350 оборотов в минуту с 10 реверсивными сменами по 5 мин. Навеска прошедшей помол шихты бралась в соответствии с конечными геометрическими размерами заготовки.When preparing the charge, preliminary sieving was carried out by dispersing the starting components on a sieve analyzer placed on a vibrating stand, with the selection of a fraction of less than 40 microns, which was further used to prepare the charge. The screened cermet components were mixed in proportions BN 12.5-17.5 mol%, SiC 42.5-46 mol. %, A1 37-43 mol. % with an optimal ratio of components 15/45/40 mol. % In this case, BN and SiC were preliminarily mixed and subjected to grinding and mechanical activation in a planetary mill lined with agate, silicon carbide, or corundum with balls of the same material as the lining. The grinding mode was selected from 250 to 450 rpm of 200-320 reverse shifts lasting 4-8 minutes and the optimal ratio (380/240/5). In this case, the calculated amount of A1, as well as ES (at the rate of 11 ml per 100 g of the mixture) was introduced into the charge and subjected to further grinding and mechanical activation under the same conditions (i.e., in a planetary mill lined with agate, silicon carbide, or corundum balls of the same material as the lining), and the grinding mode was selected from 100 to 120 rpm of 100-130 reverse shifts with the same duration (i.e., 4-8 minutes) and the optimal ratio (110/110/5) . The binder was prepared by dissolving 1.1 g of NA in 100 ml of a mixture of US (50 vol.%) And B (50 vol.%). Binders were added to the resulting mixture at the rate of 3.5 ml per 100 g of the mixture, after which the mixture containing the binder was milled in a planetary mill in an agate lining with agate balls at a speed of 350 rpm with 10 reverse shifts of 5 minutes each. The next step of the claimed method consisted in the molding of primary blanks: primary blanks of a cylindrical shape 5 cm long and 3 cm in diameter were molded from a charge in a hydraulic press under a pressure of 30 t / cm 2 . After molding, the primary blanks were dried in at least two stages: first in air for 24 hours, then in an oven at a temperature of 120 ° C for 10 hours. The preforms were subjected to vacuum sintering, which was carried out in a vacuum furnace, where these preforms were placed on prepared substrates preheated to 300 ° C; as a result of this process, the working volume was evacuated to a residual pressure of about 10 -3 atm, and heating was carried out to 1150 ° C at a rate of 10 ° C / min with an accuracy of maintaining the temperature of ± 2 ° C and with continuous support of the specified vacuum. Subsequent firing of the preforms was carried out for 4 hours, after which the preforms were cooled gradually along with the furnace. The resulting preforms were crushed and sieved on a sieve analyzer. Crushing was carried out until the entire mass of the preform passed through a 200 micron sieve. The achievement of the above technical result of the claimed invention was significantly influenced by a fundamentally new process sequence - through the use of the mechanical activation procedure to which the resulting crushed mixture was subjected. Mechanical activation was carried out in a planetary monomill lined with agate, silicon carbide, or corundum balls of the same material as the lining. We chose a different grinding mode from 400 to 450 rpm of 200-320 reverse shifts lasting 4-8 minutes at the optimal ratio (450/300/5). At the same time, about 10 wt.% A1 powder was added to the charge, as well as a binder, calculated at 3.5 ml per 100 g of the mixture. After that, the crushed charge containing a specific binder was milled in a planetary mill in an agate lining with agate balls at a speed of 350 rpm with 10 reverse shifts of 5 minutes each. A portion of the past grinding mixture was taken in accordance with the final geometric dimensions of the workpiece.
Нужная навеска выбиралась из расчета 1.07 г шихты на 1 г кермета с плотностью 2.17 г/см3. Последующее прессование осуществляли в гидравлическом прессе с усилием 35 т на см2, после чего проводилась изостатическая выдержка в течение 40 минут. Предварительная сушку таких заготовок проводили на воздухе при температуре 18-25°С в течение 8 часов; промежуточную сушку проводили в потоке теплого воздуха в вентилируемом сушильном шкафу в течение 5 часов при температуре 50°С, а окончательную сушку проводили в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 5 часов. Полученные заготовки подвергали вакуумному спеканию в описанных выше условиях (т.е. заготовки помещали в вакуумную печь на приготовленные подложки, предварительно разогретые до 300°С, после чего происходило вакуумирование рабочего объема до остаточного давления 10-3 атм с последующим нагревом до температуры 1150°С со скоростью 10°С /мин и с точностью поддержания температуры ±2°С, при непрерывной поддержке заданного разряжения. Обжиг заготовок проводили в течение 4 часов. Затем заготовка охлаждались вместе с печью.The desired sample was selected at the rate of 1.07 g of charge per 1 g of cermet with a density of 2.17 g / cm 3 . Subsequent pressing was carried out in a hydraulic press with a force of 35 tons per cm 2 , after which an isostatic exposure was carried out for 40 minutes. Pre-drying of such preforms was carried out in air at a temperature of 18-25 ° C for 8 hours; intermediate drying was carried out in a stream of warm air in a ventilated oven for 5 hours at a temperature of 50 ° C, and the final drying was carried out in an oven at a temperature of 120 ° C for 5 hours. The resulting blanks were vacuum sintered under the conditions described above (i.e., the blanks were placed in a vacuum oven on prepared substrates preheated to 300 ° C, after which the working volume was vacuumized to a residual pressure of 10 -3 atm, followed by heating to a temperature of 1150 ° C with a speed of 10 ° C / min and with an accuracy of maintaining the temperature of ± 2 ° C, with continuous support of a predetermined vacuum, the billets were fired for 4 hours, then the billet was cooled together with the furnace.
Из полученных в результате описанной технологии заготовок (кермета) получали с помощью металлорежущего инструмента конструкционные керамические изделия и детали. Обработанные детали из кермета обтирали этиловым спиртом и помещали для сушки в вентилируемом сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа. После этого они подвергались высокотемпературному обжигу, который состоял в том, что просушенные детали устанавливали на керамические подложки и помещали в печь с хромит-лантановыми нагревателями таким образом, чтобы зазор между деталями был не менее 3 см. Предварительный нагрев состоял в том, что температуру в печи поднимали до 700°С со скоростью 3°С/мин. При достижении этой температуры осуществляли выдержку в течение 1 часа, после чего проводили азотирование. При этом температуру в печи поднимали до 1050°С со скоростью 3°С/мин. С началом нагревания в печь подавался газообразный азот (N2) с избыточным давлением 2 атм, причем процесс подачи газа продолжался во время выдержки в течение 10 часов. Высокотемпературный обжиг проводился непосредственно в два этапа. Первый высокотемпературный обжиг состоял в том, что температуру в печи поднимали до 1250°С со скоростью 3°С/мин и при достижении этой температуры осуществляли выдержку в течение не менее 10 часов. Второй высокотемпературный обжиг состоял в том, что температуру в печи поднимали до 1400°С со скоростью 10°С/мин и при достижении этой температуры проводили выдержку в течение не менее 1 часа. После высокотемпературного обжига проводили охлаждение.From the billets (cermet) obtained as a result of the described technology, structural ceramic products and parts were obtained using a metal-cutting tool. The treated cermet parts were wiped with ethyl alcohol and placed for drying in a ventilated drying oven at a temperature of 50 ° C for 1 hour. After that, they were subjected to high-temperature firing, which consisted in the fact that the dried parts were installed on ceramic substrates and placed in a furnace with chromite-lanthanum heaters so that the gap between the parts was at least 3 cm. The preheating was that the temperature was the furnace was raised to 700 ° C at a rate of 3 ° C / min. When this temperature was reached, exposure was carried out for 1 hour, after which nitriding was carried out. The temperature in the furnace was raised to 1050 ° C at a rate of 3 ° C / min. With the beginning of heating, nitrogen gas (N2) with an overpressure of 2 atm was supplied to the furnace, and the gas supply process continued during holding for 10 hours. High-temperature firing was carried out directly in two stages. The first high-temperature firing consisted in the fact that the temperature in the furnace was raised to 1250 ° C at a rate of 3 ° C / min, and when this temperature was reached, holding was carried out for at least 10 hours. The second high-temperature firing consisted in the fact that the temperature in the furnace was raised to 1400 ° C at a rate of 10 ° C / min, and when this temperature was reached, holding was carried out for at least 1 hour. After high temperature firing, cooling was performed.
С учетом приведенной выше подробной технологии получения конструкционного керамического материала заявленный способ получения конструкционного керамического материала подтвержден также выделенными конкретными режимами испытаний изготовленных из этого материала изделий, которые были проведены Заявителем в реальных условиях агрессивных сред на производственно-испытательной базе научно-исследовательского Центра «Керамические Двигатели» им. A.M. Бойко».Taking into account the above detailed technology for producing structural ceramic material, the claimed method for producing structural ceramic material is also confirmed by the specific test modes of products made from this material, which were carried out by the Applicant in real conditions of aggressive environments at the production and testing base of the Ceramic Engines Research Center them. A.M. Smartly. "
Пример 1Example 1
Способ изготовления материала на основе карбида кремния, нитрида бора и алюминия предусматривает следующие стадии:A method of manufacturing a material based on silicon carbide, boron nitride and aluminum includes the following stages:
а) предварительный рассев и очистка исходного сырья, включая предварительный рассев керамических компонентов с отбором целевой фракции менее 40 мкм, с последующей отмывкой SiC в дистиллированной воде с помощью ротационной многолопастной мешалки, с целью удаления примесей органического происхождения; и отмывкой BN в этаноле с помощью стержневой мешалки и делительной воронки, с целью удаления примесей дисперсного углерода,a) preliminary screening and purification of the feedstock, including preliminary screening of ceramic components with the selection of the target fraction of less than 40 microns, followed by washing SiC in distilled water using a rotary multi-blade mixer, in order to remove impurities of organic origin; and washing BN in ethanol using a rod stirrer and a separatory funnel, in order to remove particulate carbon impurities,
б) смешение компонентов, компоненты в пропорции 45SiC, 15BN, 40А1 (мол. %) смешиваются, в них добавляется связующее (1-2 вес.%) - раствор синтетического каучука (4-7 вес.%) в Уайт-спирите,b) mixing of components, components in a proportion of 45SiC, 15BN, 40A1 (mol.%) are mixed, a binder (1-2 wt.%) is added to them - a solution of synthetic rubber (4-7 wt.%) in white spirit,
в) механическая активация проводится в планетарной мельнице при ускорении не менее 7-8g, так как при этих подтвержденных неоднократными производственными испытаниями ускорениях достигается большая степень передачи механической энергетики разрушения в кристаллическую решетку компонентов,c) mechanical activation is carried out in a planetary mill with an acceleration of at least 7-8g, since with these accelerations confirmed by repeated production tests, a greater degree of transfer of the mechanical energy of destruction to the crystal lattice of the components is achieved,
г) из полученной шихты формуются предварительные заготовки, которые затем последовательно высушиваются при температуре 70 и 120°С в течение минимум 120 часов,d) preforms are formed from the obtained mixture, which are then successively dried at a temperature of 70 and 120 ° C for a minimum of 120 hours,
д) вакуумное спекание при 1150-1300°С в течение не менее 1 часа со скоростью подъема температуры 7-8°,d) vacuum sintering at 1150-1300 ° C for at least 1 hour with a rate of temperature rise of 7-8 °,
е) на этой стадии получается промежуточный материал-кермет, допускающий электроэрозионную и механическую обработку обычным металлообрабатывающим инструментом,f) at this stage, an intermediate cermet material is obtained that allows electroerosive and mechanical treatment with a conventional metalworking tool,
ж) изготовленные на стадии е) детали подвергаются азотированию в токе азота при избыточном давлении 2 атм в печи в интерале температур от 700 до 1050°С в течение 1 часа,g) the parts manufactured in stage e) are nitrided in a stream of nitrogen at an overpressure of 2 atm in a furnace in a temperature range from 700 to 1050 ° C for 1 hour,
з) изготовленные на стадии е) детали подвергаются окислительному обжигу на воздухе в печи с низким градиентом температурного поля (1° на 10 см) в течение не менее 100 часов при 1200-1300°С,h) the parts manufactured in stage e) are subjected to oxidative firing in air in a furnace with a low gradient of the temperature field (1 ° to 10 cm) for at least 100 hours at 1200-1300 ° C,
и) на этой стадии получается итоговая керамика (итоговое керамическое изделие) с изменением линейных размеров менее 1% (т.е. происходит безусадочное окисление).i) at this stage, the resulting ceramic (final ceramic product) is obtained with a change in linear dimensions of less than 1% (i.e., non-shrinking oxidation occurs).
В итоге получается жаростойкое керамическое изделие с средними прочностными характеристиками σ=110-130 МПа.As a result, a heat-resistant ceramic product with average strength characteristics σ = 110-130 MPa is obtained.
Пример 2Example 2
Способ изготовления материала на основе карбида кремния, нитрида бора и алюминия предусматривает следующие стадии:A method of manufacturing a material based on silicon carbide, boron nitride and aluminum includes the following stages:
а) предварительный рассев и очистка исходного сырья, включая предварительный рассев керамических компонентов с отбором целевой фракции менее 40 мкм, с последующей отмывкой SiC в дистиллированной воде с помощью ротационной многолопастной мешалки, с целью удаления примесей органического происхождения; и отмывкой BN в этаноле с помощью стержневой мешалки и делительной воронки, с целью удаления примесей дисперсного углерода,a) preliminary screening and purification of the feedstock, including preliminary screening of ceramic components with the selection of the target fraction of less than 40 microns, followed by washing SiC in distilled water using a rotary multi-blade mixer, in order to remove impurities of organic origin; and washing BN in ethanol using a rod stirrer and a separatory funnel, in order to remove particulate carbon impurities,
б) смешение компонентов, компоненты в пропорции 42.5 SiC, 15.5 BN, 42 A1 (мол. %) смешиваются, в них добавляется связующее (1-2 вес.%) - раствор синтетического каучука (4-7 вес.%) в Уайт-спирите,b) mixing of components, components in a proportion of 42.5 SiC, 15.5 BN, 42 A1 (mol.%) are mixed, a binder (1-2 wt.%) is added to them - a solution of synthetic rubber (4-7 wt.%) in White Spirit
в) помол проводится в планетарной мельнице при ускорении не менее 7g,c) grinding is carried out in a planetary mill with an acceleration of at least 7g,
г) из полученной шихты формуются предварительные заготовки, которые затем последовательно высушиваются при температуре 70 и 120°С в течение минимум 120 часов,d) preforms are formed from the obtained mixture, which are then successively dried at a temperature of 70 and 120 ° C for a minimum of 120 hours,
д) вакуумное спекание при 1150-1300°С в течение не менее 1 часа со скоростью подъема температуры 7-8°,d) vacuum sintering at 1150-1300 ° C for at least 1 hour with a rate of temperature rise of 7-8 °,
е) на этой стадии получается промежуточный материал-кермет, допускающий электроэрозионную и механическую обработку обычным металлообрабатывающим инструментом,f) at this stage, an intermediate cermet material is obtained that allows electroerosive and mechanical treatment with a conventional metalworking tool,
ж) изготовленные на стадии е) детали подвергаются азотированию в токе азота при избыточном давлении 2 атм в печи в интерале температур от 700 до 1050°С в течение 1 часа,g) the parts manufactured in stage e) are nitrided in a stream of nitrogen at an overpressure of 2 atm in a furnace in a temperature range from 700 to 1050 ° C for 1 hour,
з) изготовленные на стадии е) детали подвергаются окислительному обжигу на воздухе в печи с низким градиентом температурного поля (1° на 10 см) в течение не менее 100 часов при 1200-1300°С,h) the parts manufactured in stage e) are subjected to oxidative firing in air in a furnace with a low gradient of the temperature field (1 ° to 10 cm) for at least 100 hours at 1200-1300 ° C,
и) на этой стадии получается итоговая керамика (итоговое керамическое изделие) с изменением линейных размеров менее 1% (т.е. происходит безусадочное окисление).i) at this stage, the resulting ceramic (final ceramic product) is obtained with a change in linear dimensions of less than 1% (i.e., non-shrinking oxidation occurs).
В итоге получается жаростойкое керамическое изделие с средними прочностными характеристиками σ=96-110 МПа.The result is a heat-resistant ceramic product with average strength characteristics σ = 96-110 MPa.
Пример 3Example 3
Способ изготовления материала на основе карбида кремния, нитрида бора и алюминия предусматривает следующие стадии:A method of manufacturing a material based on silicon carbide, boron nitride and aluminum includes the following stages:
а) предварительный рассев и очистка исходного сырья, включая предварительный рассев керамических компонентов с отбором целевой фракции менее 40 мкм, с последующей отмывкой SiC в дистиллированной воде с помощью ротационной многолопастной мешалки, с целью удаления примесей органического происхождения; и отмывкой BN в этаноле с помощью стержневой мешалки и делительной воронки, с целью удаления примесей дисперсного углерода,a) preliminary screening and purification of the feedstock, including preliminary screening of ceramic components with the selection of the target fraction of less than 40 microns, followed by washing SiC in distilled water using a rotary multi-blade mixer, in order to remove impurities of organic origin; and washing BN in ethanol using a rod stirrer and a separatory funnel, in order to remove particulate carbon impurities,
б) смешение компонентов, компоненты в пропорции 48 SiC, 14BN, 38А1 (мол. %) смешиваются, в них добавляется связующее (1-2 вес.%) - раствор синтетического каучука (4-7 вес.%) в Уайт-спирите,b) mixing the components, the components in the proportion of 48 SiC, 14BN, 38A1 (mol.%) are mixed, a binder (1-2 wt.%) is added to them - a solution of synthetic rubber (4-7 wt.%) in white spirit,
в) помол проводится в планетарной мельнице при ускорении не менее 7g,c) grinding is carried out in a planetary mill with an acceleration of at least 7g,
г) из полученной шихты формуются предварительные заготовки, которые затем последовательно высушиваются при температуре 70 и 120°С в течение минимум 120 часов,d) preforms are formed from the obtained mixture, which are then successively dried at a temperature of 70 and 120 ° C for a minimum of 120 hours,
д) вакуумное спекание при 1150-1300°С в течение не менее 1 часа со скоростью подъема температуры 7-8°,d) vacuum sintering at 1150-1300 ° C for at least 1 hour with a rate of temperature rise of 7-8 °,
е) на этой стадии получается промежуточный материал-кермет, допускающий электроэрозионную и механическую обработку обычным металлообрабатывающим инструментом,f) at this stage, an intermediate cermet material is obtained that allows electroerosive and mechanical treatment with a conventional metalworking tool,
ж) изготовленные на стадии е) детали подвергаются азотированию в токе азота при избыточном давлении 2 атм в печи в интерале температур от 700 до 1050°С в течение 1 часа,g) the parts manufactured in stage e) are nitrided in a stream of nitrogen at an overpressure of 2 atm in a furnace in a temperature range from 700 to 1050 ° C for 1 hour,
з) изготовленные на стадии е) детали подвергаются окислительному обжигу на воздухе в печи с низким градиентом температурного поля (1° на 10 см) в течение не менее 100 часов при 1200-1300°С,h) the parts manufactured in stage e) are subjected to oxidative firing in air in a furnace with a low gradient of the temperature field (1 ° to 10 cm) for at least 100 hours at 1200-1300 ° C,
и) на этой стадии получается итоговая керамика (итоговое керамическое изделие) с изменением линейных размеров менее 1% (т.е. происходит безусадочное окисление).i) at this stage, the resulting ceramic (final ceramic product) is obtained with a change in linear dimensions of less than 1% (i.e., non-shrinking oxidation occurs).
В итоге получается жаростойкое керамическое изделие со средними прочностными характеристиками σ=94-119 МПа.The result is a heat-resistant ceramic product with average strength characteristics σ = 94-119 MPa.
В последнем примере отклонения от требуемого значения прочности составляет по нижнему пределу более 25%, что является следствием превышения необходимых пределов концентрации по SiC.In the last example, deviations from the required strength value are over 25% at the lower limit, which is a consequence of exceeding the necessary concentration limits for SiC.
Термомеханические свойства рассматриваемых вариантов керамики (примеры 1-3) представлены в таблице.Thermomechanical properties of the considered options for ceramics (examples 1-3) are presented in the table.
Приведенные примеры подтверждают решение сложной технической задачи, которая возникает при создании высокотемпературных газовых турбин и газотурбинных установок, которые должны стабильно обладать высокой надежностью и высоким КПД в условиях, когда, например, требуется поднимать начальную температуру газов перед газовой турбиной за пределы 1400-1600°С и при этом полностью (или почти полностью) исключить необходимость охлаждать высокотемпературные элементы газовых турбин, использованием заявленного конструкционного керамического материала, который прошел все необходимые лабораторные и производственные испытания.The given examples confirm the solution of a complex technical problem that arises when creating high-temperature gas turbines and gas turbine plants, which must consistently have high reliability and high efficiency in conditions when, for example, it is necessary to raise the initial temperature of the gases in front of the gas turbine beyond 1400-1600 ° С and at the same time completely (or almost completely) eliminate the need to cool the high-temperature elements of gas turbines using the claimed structural ceramic material iala, which has passed all the necessary laboratory and production tests.
Как показывают результаты многочисленных (свыше года) исследований, проведенных в лабораторных условиях и в реальных производственных условиях, заявленный способ получения нового конструкционного керамического материала обеспечивает низкую, недостижимую известными из патентных источников и научной литературы аналогов, усадку изготовленных из такого материала изделий, что в сочетании с такими полученными новыми свойствами, как жаропрочность, механическая прочность и долговечность, существенно увеличивает функциональные возможности работы изделий, изготовленных из заявленного конструкционного керамического материала, в жестких и агрессивных условиях среды, а также повышает срок их службы, и, что особенно ценно, изделия из заявленного материала (при таких уникальных его новых свойствах в совокупности с безусадочностью) по стоимости остаются сопоставимыми с известными аналогами. По результатам проведенных испытаний заявленный конструкционный керамический материал признан производственниками одним из лучших известных материалов, с которыми им приходилось работать, для высокотемпературных газовых турбин, работающих без охлаждения при 1400°С.As shown by the results of numerous (over a year) studies conducted under laboratory conditions and in real production conditions, the claimed method for producing a new structural ceramic material provides low, unattainable analogues from patent sources and scientific literature, shrinkage of products made from such material, which in combination with such new properties as heat resistance, mechanical strength and durability, significantly increases the functionality and the work of products made from the claimed structural ceramic material in harsh and aggressive environmental conditions, and also increases their service life, and, most importantly, products from the claimed material (with such unique new properties in combination with non-shrinking) remain at a cost comparable with known analogues. According to the results of the tests, the claimed structural ceramic material was recognized by the manufacturers as one of the best known materials with which they had to work for high-temperature gas turbines operating without cooling at 1400 ° C.
По мнению Заявителя, а также независимых специалистов, принимавших участие в лабораторных и производственных испытаниях нового материала, заявленное изобретение следует отнести к приоритетным направлениям и широко рекомендовать для промышленного использования в условиях высоких термоциклических нагрузок в окислительной, коррозионной и агрессивной атмосфере, в частности в энергетических установках.According to the Applicant, as well as independent experts who took part in laboratory and production tests of the new material, the claimed invention should be assigned to priority areas and widely recommended for industrial use in conditions of high thermocyclic loads in an oxidizing, corrosive and aggressive atmosphere, in particular in power plants .
ЛитератураLiterature
1. Патент (RU) №2243955, международная публикация РСТ: WO 00/30996.1. Patent (RU) No. 2243955, international PCT publication: WO 00/30996.
2. Патент (RU) №2176628, международная публикация РСТ: WO 98/24737.2. Patent (RU) No. 2176628, PCT International Publication: WO 98/24737.
3. Патент (RU) №2193543, международная публикация РСТ: WO 98/2935 и региональные публикации: ЕР 0950037; US 6214284; UA 655551; FR 2757847 (прототип).3. Patent (RU) No. 2193543, international PCT publication: WO 98/2935 and regional publications: EP 0950037; US 6,214,284; UA 655551; FR 2757847 (prototype).
4. Патент (RU) №2304567; дата публикации 2007.08.20.4. Patent (RU) No. 2304567; publication date 2007.08.20.
5. Патент (RU) №2223929; дата публикации 2004.02.20.5. Patent (RU) No. 2223929; publication date 2004.02.20.
6. Патент (RU) №2239613; дата публикации 2004.08.27.6. Patent (RU) No. 2239613; publication date 2004.08.27.
7. Патент (RU) №2243955; международная публикация РСТ: WO 00/30996.7. Patent (RU) No. 2243955; PCT International Publication: WO 00/30996.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008145313/03A RU2399601C2 (en) | 2008-11-19 | 2008-11-19 | Method of making non-shrinking structural ceramic article |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008145313/03A RU2399601C2 (en) | 2008-11-19 | 2008-11-19 | Method of making non-shrinking structural ceramic article |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008145313A RU2008145313A (en) | 2010-05-27 |
| RU2399601C2 true RU2399601C2 (en) | 2010-09-20 |
Family
ID=42679891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008145313/03A RU2399601C2 (en) | 2008-11-19 | 2008-11-19 | Method of making non-shrinking structural ceramic article |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399601C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2542073C1 (en) * | 2013-12-26 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Method of producing non-shrinking nano-modified structural ceramic material |
| FR3051186A1 (en) * | 2016-05-11 | 2017-11-17 | Ariamis Eng | METHOD FOR MANUFACTURING A METAL-CERAMIC POWDER SUITABLE FOR THE PRODUCTION OF A HARD CERAMIC PIECE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME |
| RU2681332C1 (en) * | 2018-03-30 | 2019-03-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | METHOD OF OBTAINING COMPOSITE SiC-TiN MATERIAL |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2443659C1 (en) * | 2010-06-15 | 2012-02-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Manufacturing method of items from ceramic material by hot pressing based on silicon nitride |
-
2008
- 2008-11-19 RU RU2008145313/03A patent/RU2399601C2/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2542073C1 (en) * | 2013-12-26 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Method of producing non-shrinking nano-modified structural ceramic material |
| FR3051186A1 (en) * | 2016-05-11 | 2017-11-17 | Ariamis Eng | METHOD FOR MANUFACTURING A METAL-CERAMIC POWDER SUITABLE FOR THE PRODUCTION OF A HARD CERAMIC PIECE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME |
| RU2681332C1 (en) * | 2018-03-30 | 2019-03-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | METHOD OF OBTAINING COMPOSITE SiC-TiN MATERIAL |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008145313A (en) | 2010-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101456737B (en) | Boron carbide base composite ceramic and preparation method thereof | |
| JP4717635B2 (en) | Silicon nitride-based sintered body, method for producing the same, member for molten metal using the same, and member for wear resistance | |
| CN110511035A (en) | A kind of high entropy ceramics of high-ductility high wear-resistant and its preparation method and application | |
| CN109879669A (en) | A kind of high entropy ceramic composite and its preparation method and application with high intensity | |
| JP2003034581A (en) | Silicon nitride abrasion resistant member and method for producing the same | |
| JP5930317B2 (en) | Fabrication method of high strength toughness ZrO2-Al2O3 solid solution ceramics | |
| RU2399601C2 (en) | Method of making non-shrinking structural ceramic article | |
| FR2470756A1 (en) | SIC-SI3N4 COMPOUND SYSTEM FOR SPECIAL CERAMIC HEAT-RESISTANT MATERIALS AND METHOD OF MANUFACTURE | |
| RU2450998C2 (en) | Method to develop structural ceramic material | |
| RU2471751C1 (en) | Method of producing protective coating and composition of protective coating mixture | |
| RU2542073C1 (en) | Method of producing non-shrinking nano-modified structural ceramic material | |
| EP0540683A1 (en) | Process for making silicon nitride articles. | |
| JPH09175870A (en) | Reaction-sintered ceramic and its production | |
| CN101955357B (en) | Processable complex-phase ceramic material and preparation method thereof as well as secondary hardening heat treatment method | |
| CN109265179A (en) | A kind of silicon nitride material | |
| Sufiiarov et al. | Reaction sintering of metal-ceramic AlSI-Al2O3 composites manufactured by binder jetting additive manufacturing process | |
| CN101956115B (en) | Processable complex phase ceramic material and preparation method and secondary hardening heat treatment method thereof | |
| CN101328059B (en) | Machinable complex phase ceramic material, preparation and secondary hardening heat treatment method | |
| JP2008273829A (en) | Method of manufacturing wear-resistant member made of silicon nitride | |
| CN106517801B (en) | A kind of vitrified bond, ceramic-metal composites and preparation method thereof, composite material load bearing board | |
| RU2540674C2 (en) | Method of making articles from silicon nitride | |
| Attia et al. | Hot Pressed Si 3 N 4 Ceramics Using MgO–Al 2 O 3 as Sintering Additive for Vehicle Engine Parts | |
| Tian et al. | The shrinkage, phase composition and mechanical properties of ceramics with different β-sialon main crystalline phases prepared by stereolithography | |
| JP3810806B2 (en) | Sintered silicon nitride ceramics | |
| JP7437570B1 (en) | Silicon nitride powder and method for producing the same, and method for producing silicon nitride sintered body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |