ШИХТА КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИМЕНЕНИЯ В ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ
MIXTURE OF CERAMIC MATERIAL FOR HIGH-TEMPERATURE USE IN OXIDATIVE MEDIA

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к составу шихты для получения конструкционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующихся высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного (300 м/с) окислительного потока.
2
3
2
3
Известен керамический материал (RU 2402507, Кл. С04В 35/565, 27.10.2010), содержащий (мас.%): 0,7-1,4, MgO 4,1-8,2 YO, 5,2-10,4 AlO, остальное SiC.
2
3
2
3
Известен так же керамический материал (RU 2406196, кл. Н01Т 21/02, 10.12.2010), содержащий карбид кремния 50-75 (мас.%) и 25-50 (мас.%) YO+AlO, способствующих при обжиге изделий образованию иттрий-алюминиевого граната. обеспечивающего спекание материала до высокой плотности за счет образования жидкой фазы.
Указанные материалы имеют высокий уровень свойств, но могут быть применимы как конструкционный материал при сравнительно низких температурах.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (взят за прототип) является керамический материал (US 5656218, С04В 35/64, от 12.08.1997), шихта для изготовления которого состоит (% мас.): карбид кремния 10-90, оксид алюминия 3-15, оксид иттрия 2-10. При обжиге изделий оксидные компоненты практически полностью взаимодействуют с образованием иттрий-алюминиевого граната, способствующего спеканию до высокой плотности.
Задача, на решение которой направлено изобретение, является получение высокотемпературного конструкционного материала с высокой окислительной, коррозионной и термической стойкостью в условиях воздействия высокоскоростного окислительного газового потока.
Указанные известные керамические материалы на основе карбида кремния не могут быть использованы в столь же жестких условиях службы в связи с большим содержанием в их фазовом составе компонентов со сравнительно низкой температурой плавления (1930°С).
Технический результат изобретения заключается в разработке состава шихты для конструкционного керамического материала для высокотемпературного применения при температурах 1800°С и выше при комплексном длительном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительной среды.
2
3
2
3
2
3
Это достигается тем, что шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, YO, AlO и/или MgO·AlO, содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):
SiC
76-80
Y<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>
4-5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и/или MgO·Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
16-19
2
3
Высокая стойкость к окислению и эрозионному воздействию высокотемпературному (до 2000°С) газовому потоку обеспечивается незначительным содержанием иттрий-алюминиевого граната (состав 1), а в случае содержания YO и шпинели в материале присутствуют высокотемпературные фазы (Тпл.≥2100°С), что и обуславливает их высокую стойкость к разным факторам воздействия.
Исследования физико-технических характеристик проводили на образцах размером 6×6×50 мм и пластинах размером 63×60×8 мм.
1/2
Разработанные конструкционные материалы в пределах предлагаемых составов шихты имеют следующие свойства: плотность - 97-99%, прочность при изгибе 340-400 МПа, прочность при сжатии 1000-1200 МПа, твердость 23-27 ГПа, критический коэффициент интенсивности напряжений К1с 8-10 МПа·м и высокую стойкость к окислению (см. таблицу).
Пример 1.
Керамические порошки в соотношении 0,2% оксида иттрия, 34,8% оксида алюминия, 65% (% масс.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 1-5 мкм. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.
Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (%мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)
Пример 2.
Совместным измельчением в планетарной мельнице до дисперсности 0,1-5 мкм в среде безводного этилового спирта изготавливают порошковую шихту, состоящую из 19% оксида алюминия, 76% карбида кремния, 5% (% мас.) оксида иттрия. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.
Приготавливают формовочную массу, содержащую 5% (% мас.) технологической связки из поливинилового спирта и 95% (% мас.) керамического порошка.
Образцы изготавливают прессованием при давлении 300 МПа. Сушку проводят на воздухе при температуре 150-200°С. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)
Пример 3.
Керамические порошки в соотношении 4% оксида иттрия, 16% алюмомагнезиальной шпинели, 80% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0.05-5 мкм.
Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 300 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.
Пример 4.
Порошок, состоящий из 17,5% алюмомагнезиальной шпинели, 4,5% оксида иттрия, 78% (% мас.) карбида кремния, измельчают в планетарной мельнице в среде безводного спирта до дисперсности 0,4-3 мкм. Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1850°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.
Пример 5.
Керамические порошки в соотношении 3% оксида иттрия, 27% алюмомагнезиальной шпинели, 70% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0,1-4 мкм.
Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.
Компонентные составы и свойства композиционною керамического материала.
Таблица
№ п/п
Состав, % мас.
Плотность % от теор.
Прочность при изгибе, МПа
Прочность при сжатии, МПа
Твердость по Виккерсу, ГПа
К1c, МПа·м<sup>1/2</sup>
Δm*мг/см<sup>2</sup>с
34,8%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1
65% SiC
90
210
630
17
4,3
0,08
0,2% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
19% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2
76% SiC
97
340
1000
24
8
0,019
5% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
16%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>·MgO
3
80% SiC
98
380
1100
23
10,0
0,015
4% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
17,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>·MgO
4
78% SiC
99
400
1200
27
9,3
0,017
4,5% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
27%
5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>·MgO
98
300
800
18
9,2
0,012
70% SiC
3% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6
Прототип
95
200
600
15
-
0,2
*Привес массы после выдержки на воздухе при 1650°С за 5 часов.
Изделия из предлагаемого материала могут быть использованы для изготовления теплонапряженных деталей, работающих при температурах до 2000 К в условиях, которые требуют высокой прочности, твердости и окислительной стойкости, а также в условиях термоудара, например чехлов для термопар непрерывного контроля температуры расплавов металлов. В металлообрабатывающей промышленности - для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности - клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов, наконечники мундштуков для сварки, сопловые насадки для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов.