СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОГО ДИСИЛИЦИДА МОЛИБДЕНА В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ
METHOD OF RECEIVING OF CAST MOLYBDENUM DISILICIDE IN COMBUSTION MODE

Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности к способам получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, который может использоваться для изготовления нагревательных элементов, конструкционной керамики и для нанесения защитных покрытий.
3
3
2
Известна шихта для получения материала для высокотемпературных нагревательных элементов методом экструзии в режиме горения, содержащая порошки трехокиси молибдена (оксид молибдена VI-MoO), алюминия, кремния и молибдена, при следующем соотношении компонентов, мас.%: MoO 7,0-42,4, алюминий 2,7-15,9, кремний 29,0-38,2, молибден 12,7-52,1 (RU 2012550 C1, C04B 35/58, 1994.05.15). Недостатком данного изобретения является низкое (80%) содержание MoSi в конечном продукте, высокое содержание (20%) низкотемпературной оксидной фазы и достаточно низкий выход годного материала.
3
3
2
2
2
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления высокотемпературных нагревателей на основе дисилицида молибдена, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов (шихты) и синтез в режиме горения, при этом для приготовления шихты используют стехиометрическую смесь порошков MoO и Si с добавлением стехиометрической смеси порошков Mo и Si, a после синтеза жидкий дисилицид молибдена заливают в форму и охлаждают (RU 2184169 С2, С22С 29/18, B22D 15/00, Н05В 3/14, 2002.06.27). Синтез дисилицида молибдена проводят на воздухе. Недостатком данного способа является то, что температура реакции смеси MoO и Si близка к температуре плавления MoSi, а температура реакции смеси Mo и Si ниже температуры плавления MoSi, в результате чего с учетом теплопотерь в окружающую среду и в материал реакционной формы, а также за счет дефектов литья, брызг и всплесков расплавленной шихты на воздухе получить качественный плавленый целевой продукт невозможно. Поэтому известный способ имеет низкий выход целевого материала и недостаточно высокое содержание MoSi, которое не превышает 70%.
Техническим результатом заявляемого способа получения литого дисилицида молибдена является повышение содержания основного компонента в целевом продукте, выход годного материала при сохранении его высоких эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается тем, что способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения включает приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей оксид молибдена VI, алюминий, кремний и оксид кремния, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид молибдена VI
37,0-58,0
Алюминий
8,0-32,0
Кремний
22,0-34,0
Оксид кремния
до 100,0
Между реакционной смесью компонентов и стенкой формы может быть размещен функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния (для уменьшения теплоотвода и предотвращения контакта целевого продукта со стенками реакционной формы).
В экспериментах использовали смеси порошков оксида молибдена (VI) марки «ч», алюминия марки АСД-1, кремний марки КР-0 и оксид кремния марки «ч». Состав конечного продукта регулировали варьированием соотношения между исходными реагентами.
Синтез осуществляют в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) объемом 3,3 л при начальном давлении газовой среды от 0,1 до 10 МПа по следующей схеме химического превращения:
3
2
2
3
2
2
MoO+Al+Si+SiO→AlO×SiO/MoSi
2
3
2
2
AlO×SiO - верхний слиток, MoSi - нижний слиток (целевой продукт).
Температура горения реакционной смеси составляет 2500-3500°С и превышает температуры плавления конечных продуктов, получаемых в процессе синтеза в жидкофазном (литом) виде, что обеспечивает высокую полноту выхода (более 99,5%) и однородность химического состава по всему объему целевого продукта. Кроме того, проведение синтеза в реакторе (замкнутом объеме) исключает разбрызгивание и выброс газообразных продуктов горения в атмосферу, т.е. повышается экологическая чистота по сравнению с аналогом, при этом целевой материал не имеет дефектов и получается в литом виде.
Сущность способа подтверждается примерами.
Пример 1.
3
2
Готовят реакционную смесь (шихту) из порошков исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид молибдена (MoO) 47,0; оксид кремния (SiO) 5,0; алюминий (Al) 20,0; кремний (Si) 28,0. Общая масса шихты 1 кг.
Засыпают ее в реакционную форму из тугоплавкого материала, выполненного из графита. Снаряженную форму помещают в реактор СВС. В реакторе создают избыточное давление азота 0,1 МПа, воспламеняют смесь электрической спиралью для инициирования процесса горения. После завершения синтеза и остывания реакционной формы продукт синтеза извлекают из реактора, отделяют и анализируют аналитическими методами химического анализ, рентгенофазового и локального рентгеноспектрального анализов. Общее время синтеза до извлечения продукта, включая охлаждение, не превышает 1 часа.
2
2
Продукт синтеза состоит из двух слитков: внизу целевой продукт - дисилицид молибдена, вверху - твердый раствор оксида кремния в оксиде алюминия. По данным рентгенофазового анализа, целевой продукт соответствует формуле MoSi, причем содержание дисилицида молибдена составляет более 99,5%. Содержание примесей - оксидов алюминия, хрома и алюминия менее 0,5%. По данным химического и локального рентгено-спектрального анализов литой дисилицид молибдена имеет высокую однородность по фазовому и химическому составу (Siсв. = 36,9-37,1; содержание MoSi - более 99,5%).
В примере 2 состав шихты размещен в форму из нержавеющей стали, а с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния, и в реакторе создают избыточное давление аргона 10 МПа. Далее, как в примере 1.
В примере 3 состав шихты размещен в форме из кварцевого стекла с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из дисилицида молибдена, полученного по примеру 1 или 2, а в реакторе создают избыточное давление смеси воздуха с азотом 5 МПа. Далее, как в примере 1.
Все примеры представлены в таблице с указанием состава шихты, параметров синтеза и состава литого дисилицида молибдена.
3
Выход целевого материала по отношению к оксиду молибдена VI (MoO) составляет 90-95%.
2
Как видно из таблицы, заявленная совокупность признаков формулы позволяет получать высококачественный однофазный материал - дисилицид молибдена с содержанием MoSi 99,6-99,9%. Содержание связанного кремния в целевом литом материале составляет 36,9-37,1%.
Полученный дисилицид молибдена может быть использован для изготовления высокотемпературных нагревателей, конструкционной керамики и для нанесения защитных покрытий.
Таблица
№ примера
Состав шихты, мас.%
P<sub>газа</sub>, МПа
Содержание MoSi<sub>2</sub> в продуктах горения, мас.%
MoO<sub>3</sub>
Al
Si
SiO<sub>2</sub>
1
47,0
20,0
28,0
5,0
0,1
99,6
2
37,0
8,0
34,0
35,0
10
99,9
3
58,0
32,0
22,0
0
5
99,7