УЛЬТРАВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ULTRA-HIGH-TEMPERATURE CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области производства керамических материалов, в частности к технологии получения композиционных материалов на основе тугоплавких соединений для высокотемпературного применения в аэрокосмической технике.
Известны ультравысокотемпературный керамический композиционный материал на основе борида циркония-карбида кремния и способ его получения (CN 101891480, опубл. 24.11.2010 г).
Однако известный материал обладает недостаточно высокой окислительной стойкостью при температурах выше 1870 К.
2
Способ получения такого материала включает приготовление порошковых композиций ZrB-SiC в соответствующих весовых соотношениях 80-20% и 70-30%, формование композиций в графитовой пресс-форме и горячее прессование заготовок при температуре 1900°С, давлении 30 МПа в течение 60 минут.
Недостатком полученного материала является невысокая окислительная стойкость компонента SiC при температурах выше 1870 К, а недостатком способа получения этого материала является длительное время выдержки при температуре спекания.
2
2
2
2
Известен также ультравысокотемпературный керамический композит (US 8409491, опубл. 02.04.2013 г.), включающий зерна матрицы диборидов циркония и гафния (HfB, ZrB) или другого борида, карбида или нитрида и др., окруженные однородно распределенными игольчатыми трубками или волокнами, например SiC, с высоким соотношением длина/диаметр. Игольчатые упрочняющие волокна составляют 5-30 об. % в полученной микроструктуре. Керамический композит представляет собой консолидированную массу зерен ZrB или HfB, окруженных равномерно распределенными армирующими иголками с высоким соотношением длина/диаметр, по крайней мере, 10:1.
Однако такой материал обладает недостаточно высокой окислительной стойкостью армирующего компонента SiC и конечного продукта при температурах выше 1870 К.
Способ получения известного материала включает однородное смешивание порошка матрицы и прекурсора с последующим спеканием смеси методом горячего прессования. Давление в процессе горячего прессования диборидов циркония и гафния составляет 10-40 МПа, температура прессования - 1950-2150°С (2223, 15-2423, 15 К), длительность спекания - 30-90 мин.
Недостатком известного способа является длительное время выдержки при спекании материала и высокие температуры горячего прессования.
Известен также керамический материал для высокотемпературного применения и способ его изготовления (RU 2336245, опубл. 20.10.2008 г.).
2
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
Известный композиционный керамический материал для высокотемпературного применения содержит микрочастицы ZrB и ZrO, дополнительно включает по первому варианту микрочастицы TiN и YO при следующем соотношении компонентов, мас. %: ZrB 20-40, YO 4,5-10, TiN 10-25,5, ZrO остальное, а по второму варианту - микрочастицы ZrN и YO при следующем соотношении компонентов, мас. %: ZrB 20-40, YO 4,5-10, ZrN 10-25,5, ZrO остальное.
Способ получения такого материала включает совместное измельчение приготовленной шихты в планетарной мельнице до дисперсности 1-3 мкм в среде безводного этилового спирта или ацетона, сушку шихты на воздухе при температуре 70-80°С с последующим горячим прессованием и спеканием при давлении 20-40 МПа и температуре 1600-1800°С (1873, 15-2073, 15 К).
Недостатком известного керамического материала и способа его получения является невысокая термическая стойкость получаемого материала в условиях воздействия окислительного потока при температурах выше 2000 К.
2
2
Наиболее близкими по технической сути к заявляемым являются ультравысокотемпературный керамический материал на основе микрочастиц диборида циркония ZrB или диборида гафния HfB и способ его получения (CN 101104561, опубл. 06.01.2008 г).
Недостатком известного материала и способа его получения является недостаточно высокая термическая стойкость получаемого керамического материала в условиях воздействия окислительного потока при температурах выше 2000 K, что не позволяет использовать его в аэрокосмической технике.
Технический результат заключается в получении ультравысокотемпературного керамического материала с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способного работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока.
2
2
2
3
Согласно первому независимому пункту формулы изобретения, ультравысокотемпературный керамический материал, на основе микрочастиц диборида циркония ZrB или диборида гафния HfB дополнительно содержит микрочастицы оксида лантана LaO.
2
2
Введение микрочастиц оксида лантана в шихту на основе микрочастиц диборида циркония ZrB или диборида гафния HfB с целью получения высокотемпературного керамического материала с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способного работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока, не известно из уровня техники.
2
3
Согласно п. 2 формулы материал содержит оксид лантана LaO в количестве не менее 2 мас.%.
При содержании микрочастиц оксида лантана в керамическом материале менее 2 мас.% снижается термостойкость материала. Это проиллюстрировано в таблице, приведенной ниже. Из таблицы видно, что термостойкость несколько снижается, если количество микрочастиц оксида лантана менее 2 мас.%.
2
2
Согласно п. 3 формулы в способе получения ультравысокотемпературного керамического материала на основе микрочастиц диборида циркония ZrB или диборида гафния HfB, включающем измельчение и смешивание компонентов исходной шихты, сушку шихты, искровое плазменное спекание шихты в вакууме при повышенных температурах и давлениях, искровое плазменное спекание осуществляют при температурах 1850-2000°С, давлении не менее 40 МПа и времени выдержки при максимальных температурах не менее 3 минут.
Как показали экспериментальные исследования указанный способ позволяет получать материал с высокой плотностью, составляющей более 97% от теоретической, с низкой открытой пористостью не более 0,3% и обладающий высокой термической стойкостью при градиенте температур до 2370 К.
По экспериментальным данным наиболее высокие результаты получают в том случае, когда искровое плазменное спекание проводят при температурах 1850-2000°С со временем выдержки при максимальных температурах не менее 3 минут. При этом искровое плазменное спекание шихты осуществляют при давлении не менее 40 МПа.
В результате искровое плазменное спекание шихты при указанных условиях обеспечивает спекание микронных частиц во всем объеме материала, что формирует очень плотную структуру с очень большим числом прочно скрепленных между собой частиц. Это способствует синтезу ультравысокотемпературного керамического материала высокой плотности с низкой пористостью и высокой термостойкостью.
Кроме того, при достижении температуры спекания шихты желательно постепенное повышение напряжения до величины не более 7 В, а также постепенное повышение величины тока до величины не более 7500 А (пп. 4 и 5 формулы). Постепенное повышение напряжения электротока до величины не более 7 В и постепенное повышение величины тока до величины не более 7500 А способствует более качественному спеканию микрочастиц шихты. Импульсы тока, проходя через шихту, вызывают нагрев межзеренных границ исходного порошка и создают электрическое поле с эффектом плазмы при указанных величинах напряжения и тока в шихте.
При значениях напряжения более 7 В и величины тока более 7500 А расход электроэнергии возрастает, наблюдается газовыделение при спекании, а высокая эффективность влияния плазменного спекания на улучшение характеристик материала не обеспечивается.
На чертеже представлены фотографии микроструктур двух образцов материала, полученных заявляемым способом:
2
2
3
а - для шихты на основе микрочастиц ZrB-LaO,
2
2
3
б - для шихты на основе микрочастиц HfB-LaO.
2
3
Рентгеноспектральный анализ образцов а и б показал отсутствие отдельных частиц оксида лантана, а лантансодержащая фаза LaO равномерно распределена по всему объему керамического материала, что видно на чертеже.
2
2
3
2
2
3
При исследовании поверхности спеченных образцов на основе микрочастиц ZrB-LaO и HfB-LaO на электронном микроскопе не было обнаружено трещин и других макро-дефектов. Поверхность образцов ровная, структура однородная, все зерна плотно спеклись.
2
2
3
В образце а зерна ZrB-LaO спеклись в агрегаты различной формы размерами 2-20 мкм. Присутствует микропористость, крупных пор не обнаружено.
2
2
3
2
2
3
В образце б зерна HfB-LaO спеклись в агрегаты размерами 2-12 мкм. Структура менее плотная по сравнению с образцом а (ZrB-LaO.). Размер пор в среднем составил 5 мкм.
Ультравысокотемпературный керамический материал заявляемого состава получали при осуществлении заявляемого способа, как показано на примерах 1 и 2.
Пример 1
2
2
3
Керамические порошки в соотношении 98 мас.% микрочастиц борида циркония ZrB, 2 мас.%. микрочастиц оксида лантана LaO смешивали и измельчали в среде этанола на планетарной мельнице до размеров частиц менее 3 мкм. Сушку полученной смеси проводили на воздухе при 70-80°С. Формование и спекание шихты осуществляли в одну стадию. Для этого спекаемый порошок помещали в цилиндрическую графитовую матрицу между двумя графитовыми пуансонами, к которым прикладывали электрическое напряжение и механическое давление. Порошок шихты подвергали искровому плазменному спеканию в вакууме при остаточном давлении 6-10 Па при постепенном увеличении давления прессования на поверхность спекаемого материала от 6 до 40 МПа и постепенном увеличении напряжения до величины 7 В и величины тока 7500 А. Напряжение электрического тока подавали в виде прямоугольных импульсов длительностью 40 миллисекунд с паузами между импульсами 7 миллисекунд.
Спекание начиналось при давлении 6 МПа, давление увеличивали до 40 МПа при температуре 1000°С. При прохождении электрического тока через пуансоны и матрицу происходил нагрев и одновременно одноосное прессование образца. Температуру в процессе спекания повышали постепенно до 1850-1900°С, время выдержки при максимальной температуре составило 3 мин. Далее осуществляли постепенное охлаждение материала до комнатной температуры. Скорость нагрева составляла 80 градусов в минуту, остывания - 150 градусов в минуту. При остывании давление уменьшали до 25 МПа (в начале процесса остывания) и до 6 МПа при температуре 600°С.
3
У полученного керамического материала исследовали по стандартизованным методикам плотность, открытую пористость при комнатной температуре и определяли термостойкость в газодинамическом потоке окислительной среды (смесь кислорода и ацетилена) при температуре 2370 К. Полученный ультравысокотемпературный керамический материал обладал высокой плотностью 5,95 г/см, составляющей 97,5% от теоретической, а также низкой открытой пористостью 0,3% и высокой термической стойкостью при градиенте температуры до 2370 К.
Пример 2
2
2
3
Керамические порошки в соотношении 98 мас.% микрочастиц борида гафния ZrB, 2 мас.% микрочастиц оксида лантана LaO измельчали и смешивали в среде этанола на планетарной мельнице до размеров частиц менее 3 мкм. Сушку полученной смеси проводили на воздухе при 70-80°С.
2
2
3
3
Спекание шихты на основе микрочастиц борида гафния ZrB и микрочастиц оксида лантана LaO осуществляли аналогично примеру 1 с тем отличием, что температуру в процессе спекания повышали постепенно до 1850-2000°С, время выдержки при максимальной температуре составило 4 мин. Полученный ультравысокотемпературный керамический материал обладал плотностью 9,06 г/см, составляющей 80,9% от теоретической, открытой пористостью 12,3% и высокой термической стойкостью при градиенте температуры до 2370 К.
Таким образом, был получен ультравысокотемпературный керамический материал с однородной микропористой структурой и высокой термостойкостью при градиенте температур до 2370 К, способный работать в условиях высокоскоростного газодинамического воздействия окислительного потока, что позволяет использовать указанный материал в аэрокосмической технике.