Високотемпературний електроізоляційний термо – і ерозійностійкий матеріал системи bn-b4c

Реферат: Високотемпературний електроізоляційний термо- і ерозійностійкий матеріал системи BN-B4C містить нітрид бору BN і карбід бору В4С. Додатково містить оксид кремнію SіO2, карбід кремнію SiC, дисиліцид цирконію ZrSi2. UA 78252 U (12) UA 78252 U UA 78252 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі порошкової металургії, а саме - до високотемпературних електроізоляційних термо- і ерозійностійких матеріалів. Матеріал, що заявляється, може бути використаний в авіаційній промисловості для робочих вузлів стаціонарного плазмового двигуна (СПД), машинобудуванні, електро- і теплотехніці. Аналогом розробленого матеріалу може бути спечений матеріал системи BN-B4C (карбонітрид бору) за участю порошків нітриду бору з різним ступенем упорядкування, одержаних різними технологічними засобами: карбамідним, розчинним та азотуванням аморфного бору (Григорьев О.Н, Бега Н.Д., Ляшенко В.И., Дубовик Т.В., Котенко В.А., Панашенко В.М., Щербина О.Д. Зависимость структуры спеченного карбонитрида бора от степени дефектности порошка нитрида бора// Порошковая металлургия.-2005.-5/6.- С. 100-107). Проведений порівняльний рентгеноструктурний аналіз порошків нітриду бору різного ступеня дефектності і спечених зразків карбонітриду бору на їх основі продемонстрував, що активність спікання (тобто швидкість ущільнення зразків) тим вища, чим більш неупорядковані вихідні порошки BN. Проведено дослідження структурних особливостей і щільності спечених зразків карбонітриду бору. Встановлено, що всі спечені зразки карбонітриду бору за участю порошків BN, отриманих трьома різними технологіями, мають однаковий фазовий склад BN вихідний, BN вторинний (результат часткового азотування В4С в процесі спікання в азоті), а також залишковий (вихідний) В4С. Співвідношення цих фаз залежить від ступеня упорядкування вихідного порошку BN. Оптимальним варіантом є використання BN, отриманого карбамідним засобом, при якому кількість залишкового В4С складає 20-30 мас. %. Недоліком аналога системи, тобто спеченого матеріалу системи BN - В4С (карбонітрид бору) з використанням порошків BN, отриманих трьома різними технологіями, є те, що по визначених структурних особливостях і фазовому складу неможливо оцінювати фізикомеханічні властивості спеченого матеріалу. Як прототип був вибраний спечений керамічний матеріал на основі нитриду бору BN і карбіду бору В4С, узятих в співвідношенні 1:1 по масі, отриманий пресуванням заготовок і їх реакційним спіканням в азоті при температурі 1800 °C, після якого співвідношення компонентів становить (мас. %) BN-70 і В4С - 30 (Григорьев О.Н., Котенко В.А., Ляшенко В.И., Рогозинская Α.Α., Дубовик Т.В., Панашенко В.М., Черненко Л.И. Свойства спеченных керамических материалов на основе нитрида и карбида бора. // Порошковая металургия.-2007.-1/2.- С. 58-64). При цьому використовували порошок BN, одержаний карбамідним засобом. Встановлено, що композит володіє високими значеннями електроопору і діелектричних характеристик, термостійкістю при охолодженні на повітрі в інтервалі від 1200 до 20 °C і ерозійною стійкістю при лазерному опромінюванні. Недоліком цього матеріалу є висока пористість (до 30 %), а також низькі значення механічної міцності та недостатні термостійкість і стійкість до теплових ударів при нагріванні вище 1200 °C. В основу корисної моделі "Високотемпературний електроізоляційний термо- і ерозійностійкий матеріал системи BN-B4C" поставлена задача створити матеріал з високими електроізоляційними властивостями, термо- і ерозійною стійкістю і достатньо високими значеннями механічної міцності. Поставлену задачу вирішували шляхом додавання до суміші порошків нитриду бору BN і карбіду бору В4С порошків оксиду кремнію SіO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 та дотриманням оптимального кількісного співвідношення компонентів, мас. %: карбід бору В4С 2-8 оксид кремнію SiО2 6-26 карбід кремнію SiC 1-3 дисиліцид цирконію ZrSi2 1-3 нітрид бору BN 60-90. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом є очевидним із нижченаведеного опису. Нітрид бору BN використовували як матеріал, що має високі електроізоляційні властивості, термо- і ерозійну стійкість, гарну механічну оброблюваність, але при цьому має невелику механічну міцність. Карбід бору В 4С і карбід кремнію SiC можуть підвищити механічну міцність матеріалу, а також його ерозійну стійкість. Добавки оксиду кремнію SіO2 і дисиліциду цирконію ZrSi2 повинні активізувати процес гарячого пресування, знизити його температуру і підвищити щільність і механічну міцність гарячепресованого матеріалу. Високотемпературний електроізоляційний термо- і ерозійностійкий матеріал системи BNB4C одержували методами порошкової металургії. Вихідні порошки: нітрид бору BN, карбід бору 1 UA 78252 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В4С, оксид кремнію SіO2, карбід кремнію SiC і дисиліцид цирконію ZrSi2 змішували у відповідних співвідношеннях та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1600-1900 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 8-25 %. Досліджували шість складів високотемпературного електроізоляційного термо- і ерозійностійкого матеріалу системи BN-B4C, які одержували таким чином: Приклад 1. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В4С, оксиду кремнію SiO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: нітрид бору BN-50, карбід бору В4С - 10, оксид кремнію SiO2,-34, карбід кремнію SiC-3, дисиліцид цирконію ZrSi2-3. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах при температурі 1600 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 8-10 %. Приклад 2. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В4С, оксиду кремнію SiO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: нітрид бору BN-60, карбід бору В4С - 8, оксид кремнію SiO2,-26, карбід кремнію SiC-3, дисиліцид цирконію ZrSi2-3. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах при температурі 1700 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 9-12 %. Приклад 3. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В4С, оксиду кремнію SiO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: нітрид бору BN-70, карбід бору В4С - 5, оксид кремнію SiO2,-21, карбід кремнію SiC-2, дисиліцид цирконію ZrSi2-2. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах при температурі 1700 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 13-16 %. Приклад 4. Порошки нітриду бору ΒΝ, карбіду бору В4С, оксиду кремнію SiO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: нітрид бору BN-80, карбід бору В4С - 3, оксид кремнію SiO2,-15, карбід кремнію SiC-1, дисиліцид цирконію ZrSi2-1. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах при температурі 1800 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 18-22 % Приклад 5. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В4С, оксиду кремнію SiO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: нітрид бору BN-90, карбід бору В4С - 2, оксид кремнію SiO2,-6, карбід кремнію SiC-1, дисиліцид цирконію ZrSi2-1. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах при температурі 1900 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 20-23 %. Приклад 6. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В4С, оксиду кремнію SiO2, карбіду кремнію SiC і дисиліциду цирконію ZrSi2 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: нітрид бору BN-95, карбід бору В4С - 1, оксид кремнію SiO2,-3, карбід кремнію SiC-0,5, дисиліцид цирконію ZrSi2-0,5. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 2-6 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах при температурі 1900 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-20 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 22-25 %. На механічно оброблених (методами шліфування та полірування) гарячепресованих зразках розміром 3643 мм, 203, а також 1012 мм визначали фазовий склад, механічну міцність, термостійкість, питомий електроопір і діелектричні властивості (діелектрична постійна  і кут 2 UA 78252 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 діелектричних втрат tg ). Для проведення експлуатаційних випробувань в умовах стаціонарного плазмового двигуна (СПД) були отримані гарячепресовані заготовки 3240 мм, з яких механічним оброблюванням були виготовлені деталі необхідної геометричної форми. В зв'язку з необхідністю порівняння даних матеріалу прототипу з тим, що заявляється, по міцності на згин та термостійкості в інтервалі 1500-20 °C на повітрі, а також в умовах роботи СПД, автори провели додаткове дослідження. Для цього пресуванням і спіканням були отримані зразки необхідної форми за режимом, вказаним в прототипі. Дані по фізико-механічним властивостям матеріалу корисної моделі, яка заявляється, і прототипу наведені в таблиці. Рентгенівський аналіз вихідних сумішей і гарячепресованих зразків проводили на дифрактометрі типу ДРОН в Cuk- випромінюванні. Обробку дифракційних кривих здійснювали за допомогою відповідних програм. Структуру зразків вивчали методом оптичної мікроскопії. Щільність визначали гідростатичним зважуванням. Випробування міцності на згин і стиск проводили на "Універсальній машині для механічних випробувань НДІ КІМП-12319-10". Об'ємний питомий електроопір визначали на приладі "MOM". Термостійкість зразків визначали за кількістю теплозмін в інтервалі температур від 1500 до 20 °C на повітрі. Зразки вміщували в піч, нагріту до 1500 °C, витримували 20 хв. і охолоджували на повітрі до кімнатної температури. Цикли нагрівання і охолодження повторювали до появи першої тріщини на одному з 5 зразків кожного складу. Коефіцієнт термічного розширення (КТР) досліджували на дилатометрі шляхом заміру зміни довжини зразків при нагріванні. Діелектричні властивості досліджували за стандартною методикою (Д.М.Казарновский, В.Μ.Тареев. Испытания электроизоляционных материалов.- Госэнергоиздат. - М-Л., 1963.-218 с.). Проведені рентгенівські і мікроскопічні дослідження фазового складу композитів показали, що в умовах гарячого пресування при 1800-2000 °C нові фази не утворюються. Приведені в таблиці дані свідчать про те, що матеріал корисної моделі, який заявляється, має більш високі значення механічної міцності, термостійкості, питомого опору при нагріванні в порівнянні з матеріалом прототипу. При цьому діелектричні характеристики і механічна оброблюваність знаходяться на однаковому рівні. Найбільш ефективні властивості матеріалу, який заявляється, як корисна модель, виявляються в складах №№ 2-5 (таблиця) в інтервалі концентрацій компонентів, мас. %: карбід бору В4С - 2-8; оксид кремнію SіO2-6-26; карбід кремнію SiC-1-3; дисиліцид цирконію ZrSi2-1-3; нітрид бору BN-60-90. Основними вимогами до матеріалу, який використовується в роботі вузлів стаціонарного плазмового двигуна (СПД), є високі значення термостійкості, діелектричних характеристик, електроопору, достатня механічна міцність, щоб витримувати великі розрядні навантаження в перший період роботи двигуна, а також ерозійна стійкість в потоці плазми в розрядній камері і каналі двигуна. Для визначення можливого ресурсу роботи в умовах СПД матеріалу, який заявляється, були проведені його експлуатаційні випробування як стінок розрядної камери СПД. Для цього була використана лабораторна модель двигуна потужністю 900 Вт при напрузі розряду 500 В. Початковий питомий імпульс двигуна складав не менше 1950 секунд. Випробування проводились протягом 500 годин. В результаті проведеного випробування встановлено, що матеріал, який заявляється, має високу стійкість до теплового удару. Швидкість розпилення в потоці плазми матеріалу стінок розрядної камери СПД з вмістом (60-90) мас. % BN, яка є найбільшою з боку катоду, складає 18-22 мкм/год. Ресурс роботи СПД залежить від ерозії стінок розрядної камери, яка обумовлюється впливом на кераміку потоку плазми двигуна. На основі проведеного експлуатаційного випробування протягом 500 годин, було зроблено прогноз ресурсу роботи матеріалу, що заявляється, з вмістом (60-90) мас. % BN, який складає 3000 годин. Одночасно була спроба в тих же умовах провести експлуатаційні випробування матеріалу прототипу (BN-В4С). При цьому виявилося, що деталі матеріалу прототипу, одержані пресуванням і спіканням, не витримують теплового удару і розтріскуються на початковому періоді роботи двигуна. На основі проведених експлуатаційних випробувань було встановлено, що в умовах роботи СПД деталі, одержані пресуванням і спіканням, використовуватися не можуть, тому що у зв'язку із низькою механічною міцністю не витримують різкого теплового удару. В умовах високих температурних навантажень вузлів СПД перспективними є тільки деталі з матеріалу складу, що заявляється, отримані гарячим пресуванням. Прогноз ресурсу в 3000 годин, зроблений для матеріалу, що заявляється, свідчить про перспективність його використання як матеріалу стінок розрядних камер СПД. Матеріал, що заявляється, може бути використано в авіаційній промисловості для робочих вузлів стаціонарного плазмового двигуна (СПД), машинобудуванні для ущільнення радіальних 3 UA 78252 U зазорів турбін газотурбінних двигунів та електро- і теплотехніці як високотемпературні електроізолятори, тощо. Таблиця Склад та фізико-механічні і експлуатаційні властивості високотемпературного електроізоляційного термо- і ерозійностійкого матеріалу системи BN-B4C в порівнянні з матеріалом прототипу № складів Склад матеріалу, мас. % BN В4С SiO2 SiC ZrSi2 згину 1 2 3 4 5 6 КТР Діелектричні Ерозійна Кільк. Питом, властив., стійкість, тепло- *10-6 електроопір, 5 част. 10 , Гц мкм/год. змін, град-1, Ом* см, 201500(в умовах 1001000 °C стиску  tg 20 °C 1000 °C СПД) 11 5 -3 148 208 5,0 2*10 -3*10 4,3 3*10 >22 11 5 -4 130 220 4,7 6*10 -5*10 4,2 2* 10 18-22 12 6 -4 136 >235 4,5 1*10 -2*10 5,9 4* 10 18-22 12 6 -4 112 >235 4,8 >10 -6*10 6,0 3*10 18-22 12 7 -5 98 >235 3,5 >10 -1*10 4,6 1*10 18-22 12 7 -4 91 198 4,1 >10 -7*10 4,0 5*10 >22 Прототип 12 5 -2 89 152 5,3 >10 -2*10 5,6 5* 10 Міцність, МПа 50 10 60 8 70 5 80 3 90 2 95 1 34 26 21 15 6 3 3 3 2 1 1 0,5 3 3 2 1 1 0,5 138 127 122 104 87 72 70 30 28 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Високотемпературний електроізоляційний термо- і ерозійностійкий матеріал системи BN-B4C, що містить нітрид бору BN і карбід бору В4С, який відрізняється тим, що додатково містить оксид кремнію SіO2, карбід кремнію SiC, дисиліцид цирконію ZrSi2 при такому співвідношенні компонентів, мас. %: карбід бору В4С 2-8 оксид кремнію SiO2 6-26 карбід кремнію SiC 1-3 дисиліцид цирконію ZrSi2 1-3 нітрид бору BN 60-90. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4