Композиційний матеріал на основі карбіду кремнію з високими термомеханічними властивостями

Реферат: Композиційний керамічний матеріал для високотемпературного застосування в окислювальних середовищах містить карбід кремнію, частково стабілізований оксидом ітрію оксид цирконію. Він містить субмікроний порошок дісиліцид молібдену 20-50 (мас. %), а карбід кремнію і оксид цирконію дисперсністю 30-60 нм. UA 121894 U (12) UA 121894 U UA 121894 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до керамічної матеріалознавства, зокрема до отримання композиційного матеріалу для високотемпературного застосування на основі тугоплавких безкисневих і оксидних з'єднань, що характеризується високою міцністю, термічної і окислювальної стійкістю, стійкістю до термоудару при градієнті температури до 2000 K в умовах впливу високошвидкісного окиснювального потоку. Відомий композиційний керамічний матеріал, розроблений спільно "Helsa-Automotive Gmbh & Co" і "Friedrich-Alexander-Universitet Erlangen-Nurnberg", описаний в міжнародній заявці WO 2007/003428 А1 від 11.01.2007 р., яка включає процес отримання пористого керамічного матеріалу, в якому Аl2О3 захищає SiC від окислення. Композиційний керамічний матеріал має окислювальну стійкість при температурах до 1650 °С. Однак відомо, що пористі керамічні матеріали не використовують в умовах впливу високошвидкісних окислювальних потоків в зв'язку з недостатньою міцністю і низькою ерозійною стійкістю. Відомий композиційний керамічний матеріал для високотемпературного застосування, описаний в патенті Японії JP 3963407 (В2) клас С04В 35/66 від 22.08.2007 р, авторів Soeda Tomomi, Hibino Mitsunobu, Chihara Kenji ("Tokyo Yogyo Co Ltd"), що включає 5-90 мас. % SiC, 590 мас. % Аl2О3, 0-20 мас. % вуглецю. В даному випадку Аl2О3 також використовується для підвищення окислювальної стійкості SiC. Однак введення вільного вуглецю знижує окислювальну стійкість системи SiC-Аl2О3, оскільки вуглець характеризується низькотемпературною окиснюваністю при нагріванні в окислювальних середовищах. Як прототип використовується матеріал, що містить SiC, Аl 2О3 і MgO при співвідношенні компонентів в мас. %; Аl2О3 - 50-98,9; SiC - 1-40; MgO - 0,1-10 (патент RU № 2397196 С2, кл. С04В 35/10, 20.08.2010 "Способ получения композиционного керамического материала (варианты)"). Цей композиційний керамічний матеріал застосовується як люмінесцентний матеріал і для високотемпературного застосування в умовах впливу високошвидкісних окислювальних потоків для виробів ракетно-космічний техніки не придатний. Відома група винаходів на способи отримання композиційного керамічного матеріалу, засновані на змішуванні порошкових компонентів, що містять оксид алюмінію, оксид магнію, карбід кремнію, їх гранулювання, подальшому пресуванні, сушінні і спіканні (див., наприклад, патент RU № 2397196 С2, кл. С04В 35/10, 20.08.2010 "Способ получения композиционного керамического материала (варианты)"). Недоліком є створення наноструктурного композиційного керамічного матеріалу, не придатного для застосування в агресивних середовищах з підвищеною окисної і термічної стійкістю. Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, є отримання високоякісного композиційного керамічного матеріалу з підвищеною окисної і термічної стійкістю. Це досягається тим, що високощільний композиційний керамічний матеріал для застосування в теплонавантажених вузлах виробів містить карбід кремнію, частково стабілізований оксидом ітрію оксид цирконію і дисиліцид молібдену, причому карбід кремнію і оксид цирконію дисперсністю 30-60 нм, при вмісті дисиліциду молібдену 20-50 (мас. %). Спосіб його отримання заснований на змішуванні порошкових компонентів, що містять карбід кремнію, оксид цирконію, дисиліцид молібдену, їх гранулювання, потім проводять гаряче пресування з прямим пропусканням струму І=5000-8000 А (електроконсолідація) при температурі 1700-1900 °С і тиску 30 МПа. Перемішування вихідних порошків проводять в планетарному млині, гранулюють з додаванням полівінілового спирту (ПВС), сушать при температурі 200-250 °С і гаряче пресування проводять при 1700-1900 °C в середовищі вакууму і витримують при кінцевій температурі протягом 2 хв. Підвищена стійкість до окислення пропонованого високоякісного композиційного матеріалу досягається за рахунок введення до складу оксидних компонентів - субмікронного порошку дисиліциду молібдену і нанодисперсного оксиду цирконію, частково стабілізованого оксидом ітрію. Гаряче пресування матеріалу проводять при температурі 1700-1900 °С, коли дифузійні процеси при твердофазному спіканні найбільш активовані. Це і забезпечує отримання високоякісного міцного матеріалу з високою температурною і окислювальною стійкістю. Відомо, що ZrО2 - 3 мас. % Y2О3 за рахунок трансформаційного зміцнення збільшує міцність і тріщиностійкість композиційного матеріалу, а також стимулює реакцію дефектоутворення всередині наноструктурного карбіду кремнію. Дослідження фізико-механічних характеристик проводили на зразках розміром 6×6×50 (мм) і пластинах розміром 63×60×8 (мм). Склад компонентів і властивості пропонованого композиційного керамічного матеріалу, включаючи позамежні, представлені в таблиці. 1 UA 121894 U Таблиця 15-30 мас. % ZrO2 - 3 мас. % Y2О3 35-65 мас. % SiC 30-60 нм 20-50 мас. % МоSі2 5 10 15 20 25 розмір зерен 30-60 нм розмір зерен 30-60 нм розмір зерен 0,1-03 мкм межа міцності на вигин - 500-900 МПа; 1/2 тріщиностійкість - 5-6,5 МПам ; твердість - 91-94 HRA; коефіцієнт теплопровідності - 25-40 Вт/мK; гранична температура - 1800 °С. Приклад: керамічні порошки в співвідношенні 15 % нанодисперсного оксиду цирконію 35 % нанодисперсного карбід кремнію, 50 % (мас.) субмікронному дисиліциду молібдену подрібнюють, середовищ|. ацетону на планетарному млині. Готують формувальну масу, яка містить 5 % (мас.) технологічної зв'язки з полівінілового спирту і 95 % (мас.) композиційного керамічного порошку. Композиційну шихту ущільнюють гарячим пресуванням з прямим пропусканням електричного струму І - 5000 А при тиску 40 МПа. Сушіння суміші проводять на повітрі при температурі 200-250 °C. Гаряче пресування проводять при температурі 1600-1900 °C у вакуумі, з витримкою при кінцевій температурі протягом 2 хв. Характеристики пропонованого композиційного керамічного матеріалу: межа міцності на вигин - 500-800 МПа; 1/2 тріщиностійкість - 5-6 МПам ; твердість - 91-93 HRA; коефіцієнт теплопровідності - 25-30 Вт/мK; гранична температура - 1800 °С Технічний результат корисної моделі полягає в можливості використання нового композиційного керамічного матеріалу в окислювальному середовищі при температурі 2000 °C при швидкості окисного потоку 350 м/с, що є підвищенням окислювальної і термічної стійкості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Композиційний керамічний матеріал для високотемпературного застосування в окислювальних середовищах містить карбід кремнію, частково стабілізований оксидом ітрію оксид цирконію, який відрізняється тим, що містить субмікроний порошок дісиліцид молібдену 20-50 (мас. %), а карбід кремнію і оксид цирконію дисперсністю 30-60 нм. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2