СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ ИЗ СТЕКЛОКЕРАМИКИ ЛИТИЙАЛЮМОСИЛИКАТНОГО СОСТАВА
METHOD OF MAKING ANTENNA DOME FROM GLASS-CERAMIC OF LITHIUM-ALUMINOSILICATE COMPOSITION

Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения типа керамической оболочки головного антенного обтекателя скоростных зенитных и авиационных ракет.
Известен способ изготовления изделий из стеклокристаллического материала (Макмиллан П.У. Стеклокерамика. - М.: Мир, 1967. - 263 с.), включающий последовательную термообработку заготовок сначала при температуре зародышеобразования, а затем при верхней температуре кристаллизации.
К недостаткам этого метода следует отнести то, что он рассчитан только на термообработку монолитных аморфных заготовок отформованных из стекла по стекольной технологии. При термообработке же заготовок, отформованных по керамической технологии из водных шликеров, приготовленных на основе аморфного или закристаллизованного стекла, появляется задача по спеканию отдельных тонкоизмельченных частиц, из которых состоит отформованная заготовка.
Известен способ изготовления изделий из стеклокристаллического материала литийалюмосиликатного состава (Суздальцев Е.И. Синтез высокотермостойких, радиопрозрачных стеклокерамических материалов и разработка технологии изготовления на их основе обтекателей летательных аппаратов. // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2002, 430 с.), включающий измельчение аморфного стекла мокрым способом до получения водного шликера, предварительное формование в гипсовых формах заготовок произвольной формы, их повторную переработку в шликер, формование изделий и их термообработку в две стадии: сначала при температуре зародышеобразования 630-670°С, с выдержкой в течение 5 часов, а затем при верхней температуре кристаллизации и спекания 1230-1250°С, с выдержкой в течение 4-7 часов в высокотемпературных печах. Подъем температуры при термообработке изделия в высокотемпературной печи осуществляют со скоростью 20-60°С/час.
К недостаткам этого способа относится длительность процесса термообработки заготовок, полученных по керамической технологии (>70 часов). В результате чего при серийном производстве стеклокерамических изделий возникает необходимость увеличения парка высокотемпературных печей обжига (с рабочей температурой в пределах 1250°С).
Известен способ изготовления изделий из стеклокристаллического материала (Патент РФ №2363683, 10.08.2009, бюл. №22), включающий измельчение аморфного стекла мокрым способом до получения водного шликера, предварительное формование в гипсовых формах заготовок произвольной формы, их повторную переработку в шликер, формование изделий и их термообработку в две стадии: сначала при температуре зародышеобразования 630-670°С, с выдержкой в течение 5 часов, а затем при нижней температуре кристаллизации 850-900°С, с выдержкой в течение 1-3 часов в низкотемпературных печах, охлаждение изделия в пределах температур от комнатной до 250°С, перестановка изделия в высокотемпературную печь, окончательный обжиг при верхней температуре кристаллизации и спекания 1230-1250°С, с выдержкой в течение 4-7 часов в высокотемпературных печах. Подъем температуры при термообработке изделия в низкотемпературной печи осуществляют со скоростью 60°С/час, а при термообработке в высокотемпературной печи со скоростью до 500°С/час.
К недостаткам этого способа относится то, что он является многооперационным и требует проведение дополнительной операции перемещения изделий из низкотемпературной печи в высокотемпературную печь, следствием чего на изделиях могут образовываться дефекты.
3
Известен способ изготовления изделий из спеченного стеклокристаллического материала литийалюмосиликатного состава (Патент РФ №2222505, 27.01.2004, бюл. №3), включающий измельчение предварительно закристаллизованного стекла мокрым способом до получения шликера с плотностью 1,97-2,05 г/см, тониной помола с остатком на сите 0,063 мм 9-15% и pH 7,5-9,0, предварительное формование в гипсовых формах заготовок произвольной формы, их повторную переработку в шликер, формование изделий и термообработку при температуре 1210-1250°С в течение 1-3 часов при скорости подъема и снижения температуры не выше 500°С в час. В качестве предварительно закристаллизованного стекла используют забракованные после термообработки изделия, использованные бомзы-подставки и аморфное литийалюмосиликактное стекло, термообработанное при температуре 1170-1250°С в течение 4-8 часов в высокотемпературных печах. Основной кристаллической фазой предварительно закристаллизованного при температуре 1170-1250°С стекла является β-сподумен. Реализация предложенного способа позволяет сократить длительность термообработки с 70 до 24-30 часов.
3
3
К недостаткам этого способа относится то, что помол материала ведут до получения шликера с плотностью 1,97-2,05 г/см и тониной с остатком на сите 0,063 мм 9-15%. Низкие значения плотности способствуют интенсивному оседанию крупных частиц, содержащихся в шликере, что в процессе набора заготовок антенных обтекателей, имеющих большие габариты (высотой до 1500 мм) и сложный профиль, приводит к их расслоению по высоте (например, разброс значений плотности отформованной заготовки антенного обтекателя по высоте (высотой 650 мм) составляет 0,03-0,2 г/см). В результате чего при термообработке отформованных заготовок происходит неравномерное спекание заготовки по ее высоте, различия в структуре и плотности материала по объему, что существенно сказывается на качестве получаемых изделий. Кроме того, термообработка отформованной заготовки (толщина заготовок антенных обтекателей достигает 25 мм) при температуре 1210-1250°С в течение 1-3 часов не обеспечивает полного спекания толстостенных заготовок.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления антенного обтекателя из стеклокерамики литийалюмосиликатного состава (Патент РФ №2326094 от 10.06.2008, бюл. №16), включающий измельчение предварительно закристаллизованного стекла, либо забракованных после термообработки изделий мокрым способом до получения шликера, предварительное формование в гипсовых формах заготовок произвольной формы, их повторную переработку в шликер, формование изделий и термообработку при температуре 1210-1250°С в течение 4-8 часов со скоростью подъема и снижения температуры не выше 500°С в час.
К недостаткам этого способа относится то, что в качестве исходного материала используют литийалюмосиликатное стекло, закристаллизованное при температуре 1170-1250°С в течение 4-8 часов в высокотемпературных печах обжига, вследствие чего увеличивается время на изготовление одного изделия на 7-15 часов.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления стеклокерамических антенных обтекателей.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ изготовления антенного обтекателя из стеклокерамики литийалюмосиликатного состава, включающий измельчение закристаллизованного стекла мокрым способом до получения водного шликера, предварительное формование в гипсовых формах заготовок произвольной формы, их повторную переработку в шликер, формование изделий и термообработку при температуре 1210-1250°С в течение 4-8 часов, со скоростью подъема и снижения температуры не выше 500°С в час, отличающийся тем, что измельчению подвергают стекло, закристаллизованное при температурах 850-900°С в течение 1-2 часов.
-7
-1
Авторами экспериментально установлено, что во время термообработки при температурах 850-900°С в течение 1-2 часов, аморфное литийалюмосиликатное стекло приобретает кристаллическую структуру β-эвкриптита, характеризующуюся достаточно низким значением КТЛР (в пределах 0-5×10 К).
Во время термообработки литийалюмосиликатного стекла ниже 850°С не происходит его кристаллизации, а при термообработке литийалюмосиликатного стекла выше 900°С вместе с β-эвкриптитом начинает кристаллизоваться β-сподумен. Во время термообработки при температурах 850-900°С в течение 1-2 часов происходит полная кристаллизация аморфного литийалюмосиликатного стекла, поэтому увеличение времени термообработки более 2 часов не целесообразно.
Установлено, что в результате термообработки при температуре 1170-1250°С в течение 4-8 часов β-эвкриптит полностью переходит в β-сподумен.
Установлено, что низкие значения КТЛР β-эвкриптита позволяют вести термообработку изделий со скоростью подъема и снижения температуры до 500°С в час.
-7
-1
Исходное литийалюмосиликатное стекло имеет значение КТЛР в пределах 40-60×10 К, что в 10-30 раз больше, чем у β-эвкриптита и β-сподумена. Поэтому изделия на основе аморфного литийалюмосиликатного стекла термообрабатывают со скоростью подъема температуры до 60°С в час.
Установлено, что изделия, изготовленные как из аморфного стекла, так и из предварительно закристаллизованного стекла при температуре 1170-1250°С, так и из предварительно закристаллизованного стекла при температуре 850-900°С, имеют тождественные фазовый состав, микроструктуру и прочность, что подтверждено результатами рентгенофазового, микроскопического и прочностного анализа.
Установлено, что использование предварительно закристаллизованного стекла с кристаллической структурой β-эвкриптита для приготовления шликера дает возможность снизить температуру термообработки исходного аморфного литийалюмосиликатного стекла с 1170-1250°С до 850-900°С, вследствие чего появляется возможность проводить термообработку не в высокотемпературных, а в низкотемпературных печах.
Реализация предложенного способа с использованием стеклокерамики литийалюмосиликатного состава представлена на следующих примерах.
Пример 1. (Изготовление антенного обтекателя по аналогу из аморфного литийалюмосиликатного стекла).
3
Из аморфного литийалюмосиликатного стекла способом мокрого измельчения получают шликер, имеющий следующие параметры: плотность 2,00 г/см, вязкость 56 с, содержание частиц 63-500 мкм = 6,4%, влажность 15,1%. Затем из данного шликера методом шликерного литья из водных суспензий в пористые гипсовые формы формуют диски диаметром 300 мм, толщиной 20 мм. Полученные диски повторно перерабатывают в шликер (имеющий аналогичные параметры), из которого формуют заготовки антенного обтекателя.
Заготовки термообрабатывают при температуре 1250°С в течение 6 часов в высокотемпературной печи, при скоростях подъема и снижения температуры 20-60°С в час.
Длительность режима термообработки изделий в высокотемпературной печи составила 69 часов.
Свойства обожженных заготовок приведены в таблице.
Пример 2. (Изготовление антенного обтекателя по прототипу из закристаллизованного при температуре 1210°С в течение 6 часов литийалюмосиликатного стекла).
Партия исходного литийалюмосиликатного стекла была предварительно закристаллизована при температуре 1210°С в течение 6 часов в высокотемпературной печи. Длительность термообработки в высокотемпературной печи исходного литийалюмосиликатного стекла, рассчитанного на изготовление 10 изделий, составила 70 часов. Следовательно, длительность термообработки исходного стекла, рассчитанного на одно изделие, составила 7 часов.
3
Из предварительно закристаллизованного литийалюмосиликатного стекла способом мокрого измельчения получают шликер, имеющий следующие параметры: плотность 2,10 г/см, вязкость 58 с, содержание частиц 63-500 мкм = 6,0%, влажность 14,9%. Затем из данного шликера методом шликерного литья из водных суспензий в пористые гипсовые формы формуют диски диаметром 300 мм, толщиной 20 мм. Полученные диски повторно перерабатывают в шликер (имеющий аналогичные параметры), из которого формуют заготовки антенного обтекателя.
Заготовки термообрабатывают при температуре 1250°С в течение 6 часов в высокотемпературной печи, при скоростях подъема и снижения температуры не выше 500°С в час. Длительность режима термообработки изделий в высокотемпературной печи составила 28 часов.
Поэтому общее время термообработки в высокотемпературной печи составило 35 часов (28 часов - длительность термообработки изделия и 7 часов - длительность предварительной кристаллизации стекла).
Свойства обожженных заготовок приведены в таблице.
Пример 3. (Изготовление антенного обтекателя по предложенному решению из закристаллизованного при температуре 850°С в течение 2 часов литийалюмосиликатного стекла).
Партия исходного литийалюмосиликатного стекла была предварительно закристаллизована при температуре 850°С в течение 2 часов в низкотемпературной печи.
3
Из предварительно закристаллизованного литийалюмосиликатного стекла способом мокрого измельчения получают шликер, имеющий следующие параметры: плотность 2,06 г/см, вязкость 58 с, содержание частиц 63-500 мкм = 6,2%, влажность 14,8%. Затем из данного шликера методом шликерного литья из водных суспензий в пористые гипсовые формы формуют диски диаметром 300 мм, толщиной 20 мм. Полученные диски повторно перерабатывают в шликер (имеющий аналогичные параметры), из которого формуют заготовки антенного обтекателя.
Заготовки термообрабатывают при температуре 1250°С в течение 6 часов в высокотемпературной печи, при скоростях подъема и снижения температуры не выше 500°С в час.
Длительность режима термообработки изделий в высокотемпературной печи составила 28 часов.
Пример 4. (Изготовление антенного обтекателя по предложенному решению из закристаллизованного при температуре 850°С в течение 1, 1.5 часов и при температуре 900°С в течение 1, 1.5, 2 часов литийалюмосиликатного стекла).
Партия исходного литийалюмосиликатного стекла была предварительно закристаллизована при температуре 850°С в течение 1, 1.5 часов и при температуре 900°С в течение 1, 1.5, 2 часов в низкотемпературной печи.
Из предварительно закристаллизованного литийалюмосиликатного стекла способом мокрого измельчения получают шликер, имеющий параметры аналогичные шликеру в примере 3. Затем из данного шликера методом шликерного литья из водных суспензий в пористые гипсовые формы формуют диски диаметром 300 мм, толщиной 20 мм. Полученные диски повторно перерабатывают в шликер (имеющий аналогичные параметры), из которого формуют заготовки антенного обтекателя.
Заготовки термообрабатывают при температуре 1250°С в течение 6 часов в высокотемпературной печи, при скоростях подъема и снижения температуры не выше 500°С в час.
Длительность режима термообработки изделий в высокотемпературной печи составила 28 часов.
Свойства обожженных заготовок аналогичны свойствам заготовок из примера 3.
Анализ данных, приведенных в таблице, показал, что применение способа по предложенному техническому решению позволяет упростить технологию изготовления стеклокерамических антенных обтекателей за счет сокращения продолжительности термообработки стеклокерамических изделий в высокотемпературных печах обжига, при этом качество данных изделий остается на высоком уровне.
Свойства обожженных заготовок приведены в таблице.
Таблица
№
Исходный материал
Общее времяобжига ввысокотемпературных печах, ч
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Водопоглощение, %
Прочностьприизгибе,МПа
Фазовый составПослетермообработкиприТ=1250°С - 6 ч
1
Аморфное стекло(аналог)
70
2,50
<0,1
116
β-сподуменрутил
2
Закристаллизованноестекло(1210°С - 6 ч)(прототип) Основнаяфаза - β-сподумен
35
2,51
<0,1
110
β-сподуменрутил
3
Закристаллизованное стекло(850°С - 2 ч)(предложенноерешение) Основнаяфаза - β-эвкриптит
28
2,51
<0,1
112
β-сподуменрутил
Источники информации
1. Макмиллан П.У. Стеклокерамика. - М.: Мир, 1967. - 263 с.
2. Суздальцев Е.И. Синтез высокотермостойких, радиопрозрачных стеклокерамических материалов и разработка технологии изготовления на их основе обтекателей летательных аппаратов. // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2002, 430 с.
3. Патент РФ №2363683, 10.08.2009, бюл. №22.
4. Патент РФ №2222505, 27.01.2004, бюл. №3.
5. Патент РФ №2326094 от 10.06.2008, бюл. №16.