СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ГРАДИЕНТНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING CERAMIC GRADIENT MATERIAL

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления керамических материалов на основе диоксида циркония с повышенной устойчивостью к термическим воздействиям.
Известны способы получения градиентных материалов, заключающиеся:
- в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном спекании [1];
- в прессовании и спекании каркаса из порошка карбида титана с последующей пропиткой никелидом титана и легированием железом с целью создания градиентной структуры [2];
- в последовательном нанесении слоев из различных порошков и селективном спекании заданных областей каждого слоя. Нанесение слоев производится с помощью устройства, контролирующего их толщину и область спекания, при этом получают несколько областей из разных порошков в одной плоскости [3].
К недостаткам перечисленных способов можно отнести следующее.
Способ [1] не позволяет получить спеченные области из различных порошков, лежащих в одной плоскости, что обуславливает наличие границ раздела в микрообъемах изделия, а недостатком способов [2, 3] является многостадийность технологического процесса получения градиентного материала.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения композиционных материалов с градиентной структурой [4].
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для армирования износостойкого инструмента. Способ включает приготовление шихты, прессование и спекание в засыпке, при этом шихту готовят из соединений, выбранных из группы, состоящей из карбидов, оксикарбидов, карбонитридов, нитридов с добавлением сталей или сплавов, содержащих элементы, способные испаряться в процессе спекания, а спекание проводят в вакууме при 1200-1500°C с выдержкой 10-300 мин, при этом одна из поверхностей прессовки свободна от засыпки. Изобретение позволяет получить композиционный материал с градиентной структурой, обладающий повышенной твердостью, прочностью и износостойкостью рабочей поверхности изделия. Недостатками прототипа является многостадийность технологического процесса и ограниченность способа по использованию в качестве материала пропитки только металлов с температурой плавления в диапазоне от 1200 до 1500°С.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа получения керамического материала с градиентной структурой, обеспечивающей повышенную устойчивость к термическим воздействиям. Предлагаемый способ в отличие от прототипа содержит минимум технологических операций, и отсутствуют границы раздела по объему получаемого материала.
2
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения керамического градиентного материала заключается в прессовании заготовки и ее спекании. В качестве исходного материала используют высокодисперсный порошок в виде пересыщенных твердых растворов на основе ZrO с растворенными в нем компонентами, выбранными из группы оксидов-стабилизаторов тетрагональной фазы, при этом прессование заготовки проводят при давлении 550-800 МПа, а спекание при температурах 1500-1700°C с выдержкой в течение 1-5 часов.
2
В предлагаемом способе используют высокодисперсный порошок с размером частиц менее 1 мкм, оксид-стабилизатор с низким парциальным давлением паров, высокодисперсный порошок пересыщенных твердых растворов на основе ZrO с растворенными в нем компонентами оксидами-стабилизаторами, полученный методом термического разложения в плазме высокочастотного разряда.
2
Способ получения керамического градиентного материала заключается в использовании порошка пересыщенных твердых растворов на основе ZrO, стабилизированного компонентами, выбранными из группы оксидов-стабилизаторов с низким парциальным давлением паров. Исходный порошок получали методом термического разложения водных растворов соли циркония и соли стабилизирующей добавки в плазме высокочастотного разряда, обеспечивающим высокое пересыщение твердых растворов, большие скорости реакций и конденсационных процессов с целью получения развитых границ зерен, обеспечивающих диффузию и испарение оксидов-стабилизаторов.
Прессование заготовки проводят при давлении 550-800 МПа, а спекание при температурах 1500-1700°C с выдержкой в течение 1-5 часов.
Исходный керамический порошок содержит оксид-стабилизатор с низким парциальным давлением паров.
В частности:
2
- используют высокодисперсный порошок твердых растворов на основе ZrOс растворенным в нем компонентом MgO более 9 мол.%;
2
2
3
- используют высокодисперсный порошок твердых растворов на основе ZrOс растворенным в нем компонентом YO более 5 мол.%;.
2
- используют высокодисперсный порошок твердых растворов на основе ZrOс растворенным в нем компонентом СаО более 20 мол.%.
2
2
2
3
2
2
3
Согласно диаграммам состояния систем ZrO-MgO, ZrO-YO, ZrO-СаО, твердые растворы на основе диоксида циркония с концентрацией растворенных компонентов MgO более 9 мол.%, YO более 5 мол.%, СаО более 20 мол.% являются пересыщенными твердыми растворами.
2
2
2
2
2
2
Изобретение иллюстрируется фигурой 1, на которой изображено изменение соотношения высокотемпературных кубической, тетрагональной и низкотемпературной моноклинной фаз ZrO в объеме образцов составов: а - ZrO (3 вес.% MgO); б - ZrO (10 вес.% MgO); в - ZrO (15 вес.% MgO); г - ZrO (20 вес.% MgO). На фиг.1 представлено, что керамический материал на основе ZrO (MgO), полученный по предлагаемому способу, обладает постепенно изменяющимся по мере удаления от поверхности в объем соотношением высокотемпературных кубической, тетрагональной и низкотемпературной моноклинной фаз.
Примеры конкретного выполнения
Пример №1
2
2
Для получения керамического градиентного материала берут высокодисперсный керамический порошок твердого раствора ZrO-MgO, с количеством растворенного компонента оксида-стабилизатора MgO не менее 9 мол.%. Из керамического порошка твердого раствора ZrO-MgO формуют при давлении 550 МПа заготовку, затем спекают ее при температуре 1700°C с изотермической выдержкой 1 час. Устойчивость полученного керамического градиентного материала при циклических выдержках при температуре 1600°С не менее 50 циклов.
Пример №2
2
2
3
2
3
2
2
3
Для получения керамического градиентного материала берут высокодисперсный порошок твердого раствора ZrO-YO, с количеством растворенного компонента оксида-стабилизатора YO не менее 5 мол.%. Из керамического порошка твердого раствора ZrO-YO формуют при давлении прессования 660 МПа заготовку, затем ее спекают при температуре 1650°C с изотермической выдержкой 2,5 часа. Устойчивость полученного керамического градиентного материала при циклическом нагружении в режиме «нагрев до 1000°С - охлаждение в воду» - не менее 150 циклов.
Пример №3
2
2
Для получения керамического градиентного материала берут высокодисперсный порошок твердого раствора ZrO-СаО, с количеством растворенного компонента оксида-стабилизатора СаО не менее 20 мол.%. Из керамического порошка твердого раствора ZrO-СаО формуют при давлении прессования 800 МПа заготовку, затем ее спекают при температуре 1500°C с выдержкой 5 часов. Устойчивость полученного керамического градиентного материала при циклических высокотемпературных нагружениях при 1400°C не менее 50 циклов.
Источники информации
1. Wang, Chunchau, Hu, Yiadong. Cu/Fe Powder Gradient Material Sintering by Laser Processing//Proceedings SPIE. Vol.3550. Pp.60-64. 1998.
2. Сивоха В.П., Рудай В.В. и др. Композиционные материалы TiC-NiTi с градиентной структурно-неустойчивой матрицей / Физическая мезомеханика, 2004, 7 спец. Выпуск Ч.1, с.241-244.
3. Патент РФ №2401180, B22F 3/105, B23K 26/16, опубл. 10.10.2010.
4. Патент РФ №2164260, С22С 1/04, С22С 29/00, B22F 3/12, опубл. 20.03.2001.