СЛОИСТЫЙ ЖАРОСТОЙКИЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ОБЪЕМНОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области слоистых жаропрочных материалов, содержащих керамику и имеющих металлосодержащий слой, изделия из которых работают в условиях высоких температур и знакопеременных термических и механических нагрузок в качестве контейнеров для выращивания монокристаллов, многоразовых тиглей и разливочных чаш при плавке и термообработке высокотемпературных материалов.
Известно, что при выращивании монокристаллов магнитотвердых сплавов используют керамические контейнеры из чистого оксида алюминия, которые в процессе роста испытывают термоциклические нагрузки вследствие высокого градиента температур. Данные контейнеры разрушаются после первого цикла выращивания. Поэтому, одной из основных задач является создание материалов для повышения термической стойкости изготавливаемых из них изделий, позволяющих работать при высоких температурах и термических ударах в течении длительного времени.
Известен слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы [1], например, для контейнеров которые предназначены для плавки и термообработки различных высокотемпературных материалов в индукционных установках, включающий два несущих керамических слоя и металлосодержащий слой между ними, сформированные плазменным напылением.
Металлосодержащий слой в подобных изделиях служит для двух целей:
- во-первых, в качестве внутреннего нагревательного элемента, при использовании его в изделиях для печей с индукционным нагревом;
- во-вторых, для увеличения механических свойств материала, в частности прочности на изгиб.
Недостатком данного материала является его низкая термостойкость, вследствие значительных термических напряжений, которые возникают на границах керамических и металлосодержащих слоев. Разный коэффициент термического расширения керамики и металла приводит к образованию трещин на границе между ними, что усугубляется низкой адгезией между керамическими и металлосодержащими слоями.
В связи с этим происходит расслаивание и разрушение конструкционного материала, что приводит к нарушению формы и разрушению выполненных из него изделий.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей [2], который включает не менее чем один несущий керамический слой, металлосодержащий слой и соединяющий их переходный металлокерамический подслой, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев, при этом несущий керамический слой выполнен плазменным напылением из оксида алюминия, а переходный металлокерамический подслой выполнен из оксида алюминия и жаропрочного сплава, например нихрома или платины.
Недостатком данного материала так же является недостаточно высокая термическая стойкость изготавливаемых из него изделий. Переходный слой, состоящий из материалов обоих слоев, хоть и сглаживает разности физических свойств металла и керамики и значительно улучшает прочность сцепления между ними, но все-таки не способен остановить образование трещин в материале из-за большой разницы в коэффициентах термического расширения оксида алюминия и жаропрочного сплава. И хотя, благодаря высокой адгезии между керамическими и металлическими слоями, полное разрушение изделий из данного материала наступает через значительное количество циклов (до 60) после появления первых трещин, изделия из данного материала не могут быть использованы при выплавке прецизионных сплавов и выращивания монокристаллов, поскольку мелкие частицы разрушенного керамического материала попадают в выплавляемый сплав, загрязняя его.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является дальнейшее повышение термостойкости слоистого конструкционного материала и изготавливаемых из него изделий.
Поставленная задача решается за счет уменьшения сцепления между жаропрочными и металлосодержащими слоями, что позволяет металлосодержащим и керамическим слоям компенсировать термические напряжения независимо друг от друга. При этом, фактически все слои находятся в непосредственном механическом контакте, из-за незначительности зазоров (до 10 мкм) между ними, поэтому при механических нагрузках материал ведет себя как единое целое, сохраняя высокие прочностные характеристики.
-6
Данный технический результат достигается за счет того, что на каждый керамический и металлосодержащий слой, кроме последнего, нанесен слой из водорастворимой соли толщиной (5-10)×10 м, который в дальнейшем удаляют при промывке изделия в проточной воде. Таким образом, создается необходимый зазор между керамическим и металлическим слоем, который и препятствует образованию и распространению трещин вследствие разного коэффициента термического расширения керамических и металлосодержащих слоев. Вымывание соли происходит при помещении изделия в проточную воду, благодаря естественной газо- и водопроницаемости керамических слоев, обусловленной наличием в них пор.
Предложенный слоистый конструкционный материал практически является устройством, в котором заявляемое сочетание материалов его слоев и способ их выполнения позволяют получить новое качественное изделие высокой прочности и с высокой термостойкостью для условий знакопеременных термических и механических нагрузок, например, при повторяющихся процессах зонной плавки или выращивания монокристаллов.
Отсутствие в предлагаемом конструкционном материале сплошного сцепления между керамическими и металлосодержащими слоями позволяет компенсировать разницу в коэффициентах термического расширения. К тому же первоначально образующиеся микроскопические трещины в одном слое не будут распространяться на другие слои изделия, а будут гаситься на их границах. Это обеспечивает значительное повышение термической стойкости изделий, изготавливаемых из данного материала.
Данный материал имеет более высокие эксплуатационные свойства, чем материал полученный «механическим» помещением друг в друга объемных форм, выполненных из отдельных материалов и обработанных в точные размеры с посадочными допусками менее 10 мкм, благодаря разнице в строении поверхностей контактных слоев (фиг.1 и фиг.2). Предельное напряжение при изгибе таких «составных» тиглей составляет 150-155 МПа при 20°C, что соответствует значениям для керамики из неармированного оксида алюминия, полученного плазменным напылением. В заявляемом материале поверхность каждого последующего слоя (и керамического и жаропрочного) повторяет рельеф предыдущего, благодаря чему он выдерживает более высокие изгибающие механические нагрузки вследствие более плотного прилегания слоев.
Совокупность всех существенных признаков данной полезной модели - признаков, влияющих на достижение технического результата, является новой.
-6
-6
-3
Пример. В качестве известного материала был выбран материал тигля по п.5 патента [2]. При этом, все слои материала были выполнены методом плазменного напыления, а промежуточные слои имели толщину (10-12)×10 м. В качестве материала керамического слоя использовался порошок электрокорунда (оксида алюминия) марки 25А по ГОСТ 28818-90 фракции F-180 со средним размером частиц 6,3×10 м. Для получения жаропрочных металлосодержащих и промежуточных слоев использовали проволоку нихрома X20H80 диаметром 1,2×10 м.
-6
Изготовление тиглей проводили на установке плазменного напыления УПН-350. При изготовлении тигля из заявляемого материала на металлическую оправку напыляли первоначально слой из оксида алюминия. Затем отключали подачу порошка оксида алюминия и включали подачу охлаждающей жидкости, представляющей собой 30% раствор поваренной соли (NaCl) в воде. Толщину наносимого слоя соли регулировали скоростью и продолжительностью подачи раствора. При скорости подачи раствора 0,15-0,2 л/мин и продолжительности 9-10 секунд, толщина слоя соли составляла (3-5)×10 м. Растворение солевого слоя проводили в емкости с проточной водой при температуре 10-15°С в течении 1 часа. Далее, полученный тигель сушили в течении 24 часов на воздухе и спекали при температуре 1250°С в течении 1 часа.
В таблице 1 представлены сравнительные эксплуатационные данные для известного и заявляемого слоистого жаропрочного конструкционного материалов, использованных в составе тиглей одного типоразмера и с одинаковым рабочим объемом 3 литра.
В таблице 1 приведены следующие эксплуатационные характеристики изделий:
- термостойкость - количество рабочих циклов тигля нагрев - охлаждение: от 20°С до наибольшей рабочей температуры (T макс, (С), до появления трещин во внутреннем керамическом слое;
- предельное напряжение при изгибе при температурах 20 и 800°С.Данная характеристика определялась по стандартной методике на образцах материала 50×20×2 мм на установке для определения прочности керамики PM30-1.
-6
-6
-6
-6
-6
Как видно из результатов, приведенных в таблице при толщинах водорастворимого солевого слоя (5-10)×10 м, заявляемый конструкционный жаропрочный материал при более высоких механических характеристиках (при рабочих температурах выше 800°С) имеет термическую стойкость на 20-25% выше, чем известный. При толщине водорастворимого слоя менее 5×10 м, получаемых толщин зазоров недостаточно для компенсации температурных напряжений в материале. В результате его термическая стойкость оказывается ниже чем у известного материала, поскольку в последнем благодаря наличию промежуточного слоя выше прочность сцепления керамических и металлосодержащих слоев, что сдерживает рост трещин. Однако, при толщине водорастворимого слоя более 5×10 м термическая стойкость изделий из заявляемого материала значительно выше, чем у изделий из известного материала. При толщине водорастворимого слоя более 10×10 м, у заявляемого материала начинают снижаться механическая прочность при изгибе, и значение начинает приближаться, к значениям характерным для неармированной керамики из оксида алюминия (150-155 МПа). Таким образом, оптимальной толщиной солевого слоя является диапазон (5-10)×10 м.
Таблица 1
Номер образца
Материал
Толщина солевого слоя. 10<sup>-6 м</sup>
Рабочая температура, (С
Термостойкость до появления трещин, цикл
Предельная прочность на изгиб, МПа
20°С
800°С
1
известный
1400
70
207
179
2
заявляемый
2-4
1400
61
210
181
3
5-7
84
208
191
4
8-10
96
206
187
5
11-13
102
182
161
6
14-16
104
168
158