Способ получения изделия из композиционного материала

(5 ) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗК МПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(5 )Изобретение относится к способу полу 11 ения самонесугцего керамического композбтного тела, имеющего несколькораспределенных в пространстве стеночныхэдементов, каждый из которых имеет замкнутое поперечное сечение для напрерывнх каналов для жидкост 1 л, Стеночныеэлементы инверсионно воспроизводят геосится у к еннь ре тно ще кую полн ов Изобретение отно сМысле к самонесуще ко)ипозитному телу, им пространственно разде элементов с ограниченн че 14 ием, определяющих ль для жидкости, и поручения, Более конк каается самонесущего поитного тела, содержа л и 1 чес кую ке рам иче внедренную в материал н юнее го множество цент в широкомрамичес кому му несколькох стеночных перечным сеускные кана- особам его изобретениеческого ком- поликристалматрицу,ителя, и имеанных в осеметрию исходнои металлическои модели, Для этого выполняют заготовку металла в виде тела, имеющего по меньшей мере одну открытую полость, размещают наг олнитель снаружи заготовки и в полости, проводят нагрев в присутствии оксиданта до температуры, превышающей точку плавления металла, и делают выдержку до полной инфильтрации металла и продукта его взаимодействия в наполнитель. Заготовка может иметь форму полого цилиндра, нескольких концентрических цилиндров, может иметь дополнительные отверстия, обеспечиваю,цие наличие ребер жесткости в конечном изделии, содержащем наполни- тель, в который внедрена матрица, полученная реакцией окисления основного металла, с образованием поликристаллического ма- (Л териала, содержащего в основном продукт реакции окисления основного металла с окислителем и необязательно один или бо-, лее металлов, т,е. неокисленные составляющие основного металла, 7 з,п, ф-лы, 12 ил.ввкквкй вом направлении, пространственно разде- СО ленных стеночных элементов с ограничен- р ным поперечным сечением, инверсионно отображающ гх в противоположных направлениях геом трию снабженной полостями ( ) модели основного металла, и способов получения композитного тела инфильтрацией уплотненной засыпки материала наполнителя продуктом реакции окисле,ия основного металла, предварительно сформованного как позитивная мсдель, инверсионно от"браженная в противоположных направлениях для получения51015 20 25 30 35 40 50 55 Если применяют жидкийокислитель, то весь слой нвполнителя или его часть, прилежащая к расплавленному металлу, могут быть покрыты или пропитаны, например, погружением и сушкой, окислителем для пропитки наполнителя. Под "жидким окислителем" имеется в виду окислитель, который представляет собой жидкость в условиях реакции окисления и таким образом жидкий окислитель может иметь твердый предшественник, такой как соль, находящаясяв форме расплава в условиях реакции окисления, По выбору жидкий окислитель может представлять собой жидкость или раствор, который используют для пропитки части ипи всего напопнителя и который плавится или разлагается в условиях реакции окисления, давая подходящую окислитеньную компоненту, Приллеп жидких окислителей, ,ак опредененг в г писании, включают легкоплавкие стеклоМатериалы присадок, испопьуемые в сочетании с основныл металлом, благоприятно влияют на процесс реакции о; ненля, в особенности в системе, приме;кей алюминий в качестве основного ме 1 алпа. Присадка или присадки, используемье в сочетании или в связи с основным металлом, могут быть введены как составляющие сплава основного металла, могут быть нанесены по меньшей мере на часть поверхности основного металла или нанесены или введены в часть или в весь материал наполнителя или предварительно сформованной заготовки, или может быть использовано в любое со стание двух ипи более методов. Присадка может быть использована одна или в сочетал,и со второй присадкой, наносимой извне,Присадки к алюминию в качестве основ. ного металла, в особостл с воздухоцл в качестве окислителя, включают магний, цинк и кремний либо в отдельности, либо в сочетании с другими присадками, Эти металлы или подходяыие источ икл ме 1 аллов, могут быть сплавлены с основньм металлом .на базе алюминия в концентрациях дпя каждой присадки ог 0,1 до 10,0 весовых процентов от общего веса полученного легированного металла, Эти материалы присадок или подходящие источники пх получения (т.е, МЯО, 2 пО или Я 021 мсгут быть применены извне по отношени а . основному металлу. Таким путем получают глиноземную керамическую структуру из смеси алюминий-кремний в качестве основного металла с использованием воздуха в качестве окислителя и М 90 в качестве присадки, нанесенной на поверхность металла в количестве,большелчем 0,0008 г Мц на грамм основного металла, подлежащего окислению,и более чем 0,003 г магния на один квадратный сантиметр поверхности основного металла, на который наносят окись магния,Дополнительные примеры материалов присадок для основного металла алюминия включают натрий, германий, олово, свинец, литий, кальций, бор, фосфор и иттрий, которые могут быть использованы в отдельности или в сочетании с одной или более присадок в зависимости от окислителя и условий процесса. Редкоземельные элементы, такие как лантан, празеодим, неодим и самарий также являются полезными добавками и опять же в особенности при применении в сочетании . с другими присадками. Могут быть применены барьерные средства для.ингибирования роста или развития продукта реакции окисления за барьером, Подходящими барьерными средствами может быть побой материал, соединение, элемент, композиция или тому подобное, которые в условиях процесса согласно изобретению сохраняют некоторую целостность, не петучи и предпочтительно проницаемы для окислителя и паровой фазе и способны локально ингибировать, отравлять, останавливать, мешать, предупреждать ипи тому подобное продолжающийся рост продукта реакции окисления. Как свидетельствует осуществление изобретения, показанное на фиг,5, барьерные средства приложены к торцевым поверхностям профипированного основного металла дпя предотвращения роста продукта рег:ции окисления из этих поверхостей, Подходящие барьеры, особенно дп: анолиния в качестве основного и:тгнпг в в;:;ду:;е ипи в киспородсодержаще". га.,е, впо глот сульфат кальция (прлродный глпг. с,никат каньция и портпанд-цемент и их сочетания, которые обычно наносяг из шлихера ипи в виде пасты на поверхност: модели или на поверхность материала напоннитспя. если рост необходимо приостановить в области засыпки, Эти барьерные средства логуттакже включать подходящие горючие или летучие материалы, которые удаляются при нагревании, или материалы, разлагающиеся при нагревании с целью увеличения пористости и проницаемости барьерных средств, Кроме того, барьерные средства могут включать жаропрочные частицы для снижения любого возможного растрескивания или усадки, которые иначе могут появиться при проведении процесса, Такие частицы, имеющие, по существу, тот же коэффициент термического расширения, что и материал слоя наполнителя, особенножелательны. Например, если засыпка содержит глинозем и полученная керамика включаютг инозем, то барьерное средство может ыть смешано с частицами глинозема, кеательно имеющими те же размеры частиц,о и частицы, используемые в засыпке, т,е, римерно 20 - 1000 меш.,Цругие подходя ие барьерные средства включают плотные жаропрочные керамические или металлические экраны, желательно открытые по меньей мере с одного конца, чтобы обеспечить роникновение паровой фазы окислителя в 10 лой и контакт с расплавленным металлом.некоторых случаях полезно вводить источики второго металла с барьерными средстами. Например, некоторые сорта составов ержавеющей стали при йзаимодействии в 15 пределенных условиях процесса окислеия, например, при высоких температурах, кислородсодержа щей атмосфере, образут свои оксидные компоненты, такие как кись железа, окись никеля или окись хрс а в зависимости от состава нержавеющей тали, Таким образом, в некоторых случаях арьерные средства, такие как экран из нежавеющей стали, могут обеспечить подхоящий источник второго или инородного 25т еталла, в которые могут осуществлять ввеение вторых металлов, таких как железо, икель или хром в поток расплавленного сновного металла при контакте с ними,Следующие примеры приведены для ил юстрации изобретения, а не с целью ограичения его объема.П р и м е р 1, Керамическое трубчатое ело, содержащее два концентрических взамосвязанных керамических цилиндра, бы о получено из цилиндрической трубы (, акой, как показано на фиг,2) размерами 2,5 м в длину и 2,5 см в диаметре с толщиной илиндрической стенки 0,3 см, содержащей ри ряда по четыре поперечных Отверстия 40 иаметром 0,3 см, разнесенные на 90, Цииндр состоял из сплава алюминия 380.1, (з Вегпопт Метаз, имеющего паспортизоанный состав в весовых процентах: 8 - 8,5%ф 1, 2 - 3 цинка и 0,1% магния в качестве акти ирующей присадки и 3,5% меди, железа, марганца и никеля, но в некоторых случаях гОдержание магния было более высоким и находилось в пределах 0,17 - 0,18%. Все внешние и внутренние цилиндрические 50 гтенки и стенки поперечных отверстий по. крывали порошком металлического кремния толщиной 0,00025 - ОУ 0025 см и азмером частиц 500 грит (поставляетсятаптс Есц 1 ргпепс ЕЛ 9 епеегз, Мечч Легзеу) и 55 аполняли карбидом кремния с размером частиц 500 грит, предварительно обожженн,ым на воздухе при 1250 С в течение 24 ч (39 кристолон, поставляемый Могтоп Со.) и затем полностью н,гружали в слой частиц наполнителя размером 500 грит зеленогопредварительно обожженного карбидакремния, насыпан ого в жаропрочньй контейнер. Загрузку нагревали при установленной рабочей темпесатуре процесса 900"С втечение 24 ч на вс:д хе Общее время работы печи равнялссь 35 ч с 6-ти часовым циклом подъема температуры до рабочегорежима и 5 часовым циклом охлаждения,Полученный композитный материал в поперечном сечении показал пару цилиндрических стенок, взаимосвязанных спицами, таккак показано на фиг,9, Внутоенний цилиндримел наружный диаетр Около 1,15 см итолщину стенки око,о 0,24 см, Расстояниемежду гарой цлинд;.;цеских стенок составляло 0,3 см, Наружный цилиндр имевнешний диаметр около 2,65 см и толщинустенки 0,24 см,Состав полу,енного композитз опредеЛЯЛИ РЕНТГЕНОСтРУКТУРНЫМ д 1 аЛИЗОМ И МЕтодом оптической микроскопии, Кпмпозитсодержал глиноземную матрицу, внедренную в наполнитель из карбида кремния,П р и м е р 2, Пример 1 повторяли, нозасыпкой наполнителя служила смесь 70%глинозема Т 64 (около 325 меш, постав.Асоа) и 30% ЕРК(каолин, составл. ГеЧзрагСогр Е 19 аг, Р 1) и загрузку нагревали приустановленной теипературе пооцесса1000 С в теч:.ние 40 ч в атмосфере воздуха,Была получена ара кснцентриеских цилиндрических стенок, взаимосвязанных ребрами жесткости, так как показано на фиг.9.Стенка вн 1 реннего цилиндра была толщиной 0,15 см при наружном диаметре 1,65 см,Толщина стенки наружного цилиндра составляла 0,15 см, внешний диаметр около1,65 см. Расстояние между цилиндрическими с енками равнялссь 0,3 см,П р и м е р 3. Повторяли пример 2, нозасыпкс и наполнителя служил глиозем"сгановленнсй рабочей телп:ратуре1000 С 43 ч после 5-,асовогс выхода гечи нарабочий режим и 5-часовогп цикла охлаждения пе и. Полуали пару концентрическихцили ." ческих стенок, взаимосвязанныхребра и лесткости, Наружный диаметрвнешней ц. ц ндгической стенки составлял0,15 см;,: толщине стенк 0,24 сл . Тслшна сте, ки в.утреннего цилиндоа составляла0,24 см и наружный днзлетр 2,65 см Рассояние между парой циндричсских стексоставляло 0,3 см.П р и м е р 4, Цилигдрическую трубудлиной 2,5 см из голова агюля;н;я, 80,1(аналогично показанному на фиг ".) полностью псг. кали в слой хор" пгпанногс .л еЦилиндрическая труба имела длину 2,5 см инаружный диаметр 2,5 см и стенки имелипоперечные отверстия диаметром 0,25 см,Внутреннюю стенку цилиндра и стенки поперечных отверстий заполняли кордиеритным наполнителем. Сборку нагревали приустановленной температуре 1000 С в течение 40 ч на воздухе. Общее время работыпечи составляло 50 ч с 5-часовым цикломразогрева и 5-часовым циклом охлаждения, 10Прорастание керамического композитногоматериала в пару концентрических цилиндрических стенок, взаимосвязанных ребрами жесткости, было очень однородным,Наружный диаметр внешней цилиндрической стенки составлял примерно 2,65 см притолщине стенки 0,15 см, Внутренняя керамическая стенка была толщиной около 0,15см и наружный диаметр составлял 1,65 см,Расстояние между парой цили дрических 20стенок составляло около 0,3 см.Эти примеры осуществления "зебретения показывают полезность изоб егения испециалистам в данной области понятнымногочисленные сочетания и вариацци, возможные в объеме изобретения,Формула изобретения1. Способ получения изделия из композиционного материала, включающий размещение заготовки основного металла в слое 30дисперсного огнеупорного инертного цаполнителя, проницаемого в условиях процесса для оксиданта и инфильтруемогопродукта реакции, нагрев в реакционной газообразной среде до температуры, прелышающей точку плавления металлазаготовки, но меньшей точки гглазленияпродукта, его взэимодейсвия с оксидантом, и выдержку в течение времени, достаточного для полной инфильтрации металла 40и продукта его взаимодействия с оксидантом в наполнитель и образования иэделия,охлаждение и отделение изделот избытка наполнителя, о т л и ч а ю : я тем,45 что, с целью получения изделия, содержащего несколько коаксиально расположенных пространственно разделенных стенок,. имеющих замкнутый контур и инверсионно отображающих геометрию заготовки основного металла, заготовку выполняют в виде тела, имеющего по меньшей мере одну открытую полость, а наполнитель размещают снаружи заготовки и в полости,2. Способ по и 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что наполнитель дополнительно содержит опорную зону, самосвязывающуюся при температуре, превышающей точку плавления металла заготовки, но не превышающей температуру взаимодействия,3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что заготовка основного металла имеет форму полого цилиндра.4. Способ по и 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что заготовка основного металла содержит несколько концентрических цилиндров,5. Способпо п 1,отл ичающийся тем, что заготовка основного металла имеет дополнительно по крайней мере одно отверстие, в которое размещают наполнитель, обеспечлвающее образование по крайней мере одного ребра жесткости в конечном изделии.6, Способ по пп.1 и 2, отлич а ю щи йс я гем, что основным металлом является металл из группы; 51, Т 1, Яп, 7 г, Н 1, легированный алюминий.7, Способ по пп. 1, 2 и 5, о г л и ч а ющ и й с я тем, что оксида то,"л является по крайней мере один из группы: кислородсодеркащий или азотсоде ржа щии газ, диоксид кремния, бор, углерод, кордиерит, восстановимое соединение,8, Способ по пп.1 - 6, от л иа ю ш ийс я тем, что в качестве наполнителя используют по крайней мере один компонент из группы: А 20 з, СеО Н 1 О. ЪгОр, ГО 2, 502, МцО, В 20 з, Ме 20 з, где Ме - 1 а, Ио, Рг. 5 гп, Яс, У, КО 2, ТЬ 02,итрид, карбид или бернд, 18382801838280 Составитель Н, СоболеваРедактор Техред М.Моргентал Корректор Л, ЛивРинц при ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 Заказ 2899 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по изо113035, Москва, Ж, Ра Подписноеениям и открытиякая наб., 4/5пространственно разделенных стеночных элементов, определяющих перепускные каналы для жидкости.Изобретение представляет собой дальнейшее усовершенствование технологии получения самонесущего керамического тела, имеющего разнесенные с промежутками стеночные элементы, каждый из которых имеет ограниченное поперечное сечение, определяющее перепускные каналы для жидкости, при этом керамическое тело получено инверсионным воспроизведением профилированного основного металла,В соответствии с изобретением предусматривается способ получения самонесущего керамического композитного тела, имеющего некоторое количество пространственно распределенных стенок определенного поперечного сечения, обусловливающих в значительной степени непрерывное пропускание жидкости, Эти стеночные элементы обычно инверсионно отображают в противоположных направлениях геометрию позитивной модели. Каждый из клеточных элементов, которые центрированы в осевом направлении, содержит керамическую матрицу, внедренную в наполнитель, и полученную реакцией окисления основного металла с образованием поликристаллического материала, который в значительной мере состоит из продукта реакции окисления основного металла с окислителем и необязательно одного или более металлов, т,е, неокисленных составляющих основного металла. Этот метод включает следующие операции: основной металл сформован для получения цилиндрической модели (как определено ниже), имеющей по меньшей мере одну открытую полость или отверстие, образуя при этом поверхности противолежащих стенок, т.е. внутреннюю стенку полости и внешнюю стенку полости, Толщина стенки, которая задается. при формовании металлической модели, определяет расстояние между стеночными элементами в конечном изделии, Материал наполнителя наложен на поверхности обеих стенок цилиндрической модели, Засыпка материала наполнигеля. может покрывать всю поверхность каждой стенки или простираться только для заранее определенной части или области, и эта покрытая область будет определять площадь стеночных элементов конечного композиционного продукта. Материал наполнителя проницаем для окислителя, если требуется, как например, в том случае, если окислитель представляет собой окислитель в паровой :фазе, и в любом случае проницаем для инфильтрации развивающимся продуктом ре 30 40 45 5 10 15 20 50 55 акции окисления; и имеет достаточную согласованность в интервале температур нагрева, чтобы приспособиться к различному термическому расширению между слоем наполнителя и основным металлом плюс объемные изменения, вызванные переходом точки плавления металла, Каждый слой засыпки материала наполнителя по меньшей мере в поддерживающих зонах, размещенный внутри стенки полости и снаружи внешней стенки с тем, чтобы окружить модель, является внутренне самосвязывающимся при температурах, выше точки плавления основного металла, но ниже и предпочтительнее очень близкой к температуре реакции окисления, при этом засыпка материала наполнителя имеет достаточную силу сцепления, чтобы сохранить инверсионно воспроизведенную геометрию модели в засыпке при миграции основного металла,Профилированная заготовка основного металла с наложенными слоями засыпки нагревают до температурной области, превышающей его точку плавления, но ниже точки плавления продукта реакции окисления,чтобы получить массу расплавленного основного металла, и расплавленный Основной металл взаимодействует с этой области температур или в интервале температур с окислителем с образованием продукта реакции окисления, По меньшей мере часть продукта реакции окисления поддерживается в этой температурной области в контакте с массой расплавленного металла и между массой расплавленного металла и окислителем, при этом расплавленный металл поступательно протягивается из массы расплавленного металла через продукт реакции окисления, продолкая образование продукта реакции окисления на границе раз,дела между окислителем и ранее образовавшимся продуктом реакции окисления, Эта реакция продолжается в указанной емпературной области в течение времени, достаточного по меньшей мере для частичного инфильтрирования обоих слоев эссенции продуктом реакции окисления при ростепоследнего и для параллельного образования стеночных элементов с Ограниченным поперечным сечением и оставлением определенных путей прохода или канала, ограниченного самым глубинным стеночным элементом, т.е. продукт реакции окисления растер в противоположных направлениях в засыпке, и миграция и превращение металла приводят к образованию керамической матрицы, инверсионно отобракающей в противоположных направлениях смежную часть металлической модели, образуя при этом перепускные каналы для жидкости.1 роход для жидкости между стеночными лементами (стенками) представляют собой тображение стенки основного металла. олученное самонесущее композитное тело тделяют от избыточного наполнителя, если аковой имеется и, выделенный продукт соержит многостеночное цилиндрическое керамическое композитное тело с продольным перепускным каналом для жидкости ежду стеночными элементами и центральый канал для жидкости. Стеночные элементы центри рованы на оси и предпочтительно центрированы коаксиальНо, так что стенки в значительный степени концентричны,В другом аспекте изобретения предусотрены средства для предохранения стеок от разрушения и для поддержания стеночных элементов с установленными промежутками. В одном варианте осуществения изобретения предусмотрено средства для поддержания, выполненное за одно целое с керамическим композитным телом, изаключающееся в том, что модель снабжант одним или более отверстий для щелей и заполняют их материалом наполнителя, Во в емя проведения процесса продукт реакц и окисления прорастает как матрица в э от наполнитель, а равно как и в засыпку н полнителя, смежного со стенками, образуя при этом керамические связывающие ребра жесткости между стеночными элем нтами. В другом варианте осуществления и обретения при использовании модели осн вного металла с двумя или более цилиндр ми, поддерживающие средства могут б гть внедрены между цилиндрами, и при фрмировании керамического композитногбтела поддерживающие средства связываюгся на л 1 ес 1 е продуктом реакции окисления, соединяя и поддерживая при этом прострае ственно разделенные керам 1 ческие цилиндры.Использованные в описании в прилагаел 1 ой формуле изобретения термины опредедены ниже следующим образом."Керамический" не следует неправомерно истолковывать, ограничиваясь керамическим материалом в классическом смысле, т.е, в том смысле, что керамика состагит целиком из неметаллических и неорганических материалов, а скорее относится к материалу, который является преимуществено керамическим с учетом как состава, так и определяющих свойств, хотя материал л 1 оет содержать небольшие или значительные количества одного или более составляющих, производных о; основного металла, или восстановленных и окислителя илипрсадка, в больш; стве слу зев типична в510 пределах от 1,0 до 40,0; по объему. но может включать и еще большие количества ме. талла,"Продукт реакции окисления" в общем смысле означает один или более металлов в любом окисленном состоянии, в которол; металл отдал электроны или поделил электроны с другим элементом, соединением или их сочетанием, Следовательно, продукт реакции окисления в таком определении включает продукт реакции одного или более металлов с окислителем, как описано в заявке."Окислитель" означает адин или более15 подходящих акцепторов электронов илираспределителей электронов и может представлять собой элемент. сочетание элементов, соединение или сочетание соединений,включая восстанавливающиеся соедине"20 ния, и является твердым, жидким или газообразным (пар) или сочетанием этихагрегатных состояний (т,е, твердое вещество и газ) в условиях проведения процесса,"Основной металл" относится к металлу,25 т.е. алюминию, который является предшественником для поликристаллического продукта реакции окисления и включает такойметалл как относительно чистый металл,коммерчески доступный металл с содержа 30 нием.примесей и/или составляющих сплаваили сплав, в котором металл-предшественник является основной составляющей, и, если специфический металл упомянут какосновной металл, т.е. алюминий, то металл35 следует понимать в этом значении, есликонтекстом не определено иначе,"Цилиндрическая стенка" или "цилиндрический стеночн ый элемент" неп ра вол",р но истолковывают как ограниченные40 стенкой, форма которых в поперечном сечении определяется окружностью, но скореекасается любой стенки, чье поперечное сечение может быть любой подхо ей замкнутой формы, такой как круглая,45 эллиптическая, треугольная, прямоугольнаяили любая другая полигональная форма т,е,пятиугольная, восьмиугольная и так далее)попереного сечения, Далее термин включаетстенки, поверхность которых не только50 ровная и плавная, но также и стенки, имеющие любой гипа формы волнистости, такиекак зубчатая, синусоидальная, гофрированная и тому подобные,На фиг.1 представлен горизонтальный55 вид модели основного металла сформированного в виде цилиндрической трубы, имеющей множественные отверстия,простирающиеся в поперечном направлении через стенку цилиндра; на фиг,2 - насечение А - А наиг.1 (с материалол 1 напол 183828051015. 30 40 55 нителя на месте); на фиг,З - горизонтальный вид сформованного основного металла, иллюстрирующий альтернативный вариант осуществления изобретения; на фиг,4 - вид с торца на сформованный основной металл на фиг,З с материалом наполнителя посредине; на фиг.5 - продольное сечение, показывающее сборку моделей профилированного основного металла на фиг,1, погруженного в слой частиц наполнителя и помещенного в жаропрочный контейнер; на фиг.б - увеличенный, частичный разрез участка щели профилированного основного металла на фиг.5, показывающий опорную зону в материале наполнителя; на фиг, горизонтальный вид нэ самонесущее керамическое композитное тело, полученное согласно, изобретению с использованием модели основного металла на фиг.1; на фиг.8- вид с торца на самонесу щее керамическое композитное тело на фиг,7; на фиг.9 - вид с торца на модель основного металла, сформованного в виде пары концентрически расположенных цилиндрических труб, при этом каждая труба имеет множество отверстий, простирающихся в поперечном направлении через стенку каждого из цилиндров; на фиг.10 - вид с торца на самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием модели основного металла на фиг.9; на фиг.11 - поперечное сечение модели основного металла, полезной при получении керамического композита альтернативным способом осуществления изобретения; на.фиг,12 - самонесущее керамическое тело, полученное согласно изобретению с использованием. модели основного металла, показанной на фиг,11,В практике осуществления настоящего изобретения основной металл предусматривается в форме отливки или модели, снабженной по меньшей мере одним аксиально простирающимся отверстием, полостью, каналом или тому подобным, открытым по меньшей мере с одного конца, При осуществлении способа согласно изобретению модель основного металла инверсионно отображается в противоположных направлениях для получения самонесущего керамического композитного тела, содеркащего несколько разделенных пространством стенок, имеющих ограниченное поперечное сечение, Изобретение устраняет операции получсния раздельно керамических тел,каждое из которых затем концентрически устанавливают и взаимосвязь 1 вают. Термин инверсионно отображенный" означает, что пространство, образованное между стенками в продукте, определяется противолежащими поверхностями смежных керамических стенок, которые в значительной степени подобны первоначальной форме основного металла, т,е. если основным металлом является модель, содержащая ци- линдрическую трубу с круглым поперечным сечением, то пространство, образованное между стеночными элементами керамического изделия, будет в значительной мере такой же ширины что и толщина цилиндрической стенки, и будет круглым в поперечном сечении как негативное воспроизведение геометрии модели основного металла.Модель основного металла может быть профилированэ любыми подходящими средствами, лишь бы она содержала по меньшей мере одно открытое отверстие или полость, предпочтительно простирающуюся в осевом направлении через профилированный основной металл, т.е. цилиндрическая труба. Например, кусок ме таллэ, такой как,трубка, труба или другой трубчатый элемент, имеющий осевое отверстие, простирающееся во всей длине, образуя при этом цилиндр, может быть получен механической обработкой, литьем в форму, отливкой, экструдированием или сформован иным образом для получения профилированной модели, Основной металл в качестве модели может иметь прорези, отверстия, щели, выточки, упоры, фланцы или, тому подобное, чтобы получить модель для формирования поддерживающих (опорных) средств для керамическо-о композита, как описано это подробно нике, Модель осровного металла может име 1 ь любое подходящее замкнутое поперечное се ан 11, от цилиндрического до полигонэл; нога, кэк уже упоминалось выше. Незэвисинмо от формы основного металла материал нэполнителя наложен на поверхности стенок модели, которая включает полость или внутреннюю стенку и внешнюю стенку, и предпочтительно поверхности стенок параллельны, обеспечивая таким образом проход для жидкости в значительной мере однородного поперечного сечения. Целесообразно заполнить полость согласующимся материалом наполнигеля, на который затем наносят другой согласующийся слой материала наполнителя, помещенный в подходящий тигель или контейнер, Два материала наполнителя могут быть одинаковыми или различными по составу, качеству, чистоте или структуре. Модель определяет таким образом профилированную полость в согласующейся засыпке материала наполнителя профилированную полость в пределах этой массы наполнителя. Когда основной металл, 1838280 10, занимающий пространство, в конечном сче,те расплавлен и окисляется и мигрирует иэзаполненного пространства, то множествокерамических стенок с ограниченным поперечным сечением и соосно расположенныхразвивается в противоположных направлениях, образуя при этом пространство, имеющее граничные поверхности внутриполученного керамического композитноготела, которые в значительной степени конгруентны форме первоначальной модели основного металла. Таким образом толщина,тенок модели основного металла может определить ширину поперечного сечения про,странства между стеночными элементами.Полученный керамический композитный1 родукт обладает в значительной степениеометрической конфигурацией первонаальной модели, согласован в отношенииифференциальных обьемных измененийсновного металла в процессе получения,вязанных с точкой плавления металла иермическим расширением, с учетом сфорированного композитного тела и охлаждеия, Таким образом, в одном аспекте 2зобретение предусматривает и обеспечиает преимущество получения керамическоо тела сложной формы обоаботкойеталлической модели, и не механическойбработкой керамики для получения формы, 3оторая обработка) является более трудомкой и дорогостоящей,Хотя изобретение описано ниже детальо со специальной ссылкой на алюминий вачестве предпочтительного основного металла, другой подходящий исходный металл, удовлетворяющий требованиямизобретения, может быть использован ивключен в обьем изобретения, например,кремний, 1 итан, олово, цирконий и гафний, 4При осуществлении способа согласноизобретению модель основного металла из,сыпку наполнителя нагревают в окислит льной атмосфере до температуры вышет чки плавления металла, но ниже температ ры пгавления продукта реакции окислен 1 я, что приводлт к образованию массы илип ла расплавленного металла. При контактес окислителем расплавленный металл будетаимодействовать с образованием слоя 5одукта реакции окисления. Под воздейстем окислительной атмосферы в подходяей темпераурной области оставшийсясплавленный металл поступательно прот гивается в слой продукта реакции окислеи через него в направлении ко исг. телю и в засыпку наполнителя и тамв контакте с окислителем образуется долнительныл продукт реакции окисления,П меньшей мече "сть продукта реакции окисления поддерживают в контакте с расплавленным металлом и окислителем и.между расплавленным металлом и окислителем с тем, чтобы вызвать непрерывный рост поли кристаллического продукта реакции окисления в засыпке наполнителя, инфильтрируя и заливая наполнитель поликристаллическ 1 м продуктом реакции окисления. Материал поликристаллической матрицы продолжает рас ти до тех пор, пока поддерживаютсяподходящие условия для реакции окисления и сохранилась какая-либо часть неокисленного расплавленного основного металла,Процесс продолжают до тех пор, пока 15 продукт реакции инфильтрирует и зальетжелаемое количество засыпки наполнителя, Полученный керамический композитный материал включает наполнитель, залитый керамической матрицей, содержащей поли кристаллический продукт реакции окисления и необязательно одну или более составляющих основного металла, восстановленные составляющие твердого или жидкого окислителя, составляющие приса док или поры или их сочетаия, Типично длятаких поликристаллических керамических матриц то, что кристаллиты продукта реакции окисления взаимосвязаны в одном или более измерениях, предпочтительно в трех О измерениях, и металлические включенияили поры могут быть частично взаимосвязаны. Если процесс не проводятдо израсходования основного металла, то полученный керамический компоэит основательно плот ный и в значительной мере беспористый,Если процесс проводят до конца, то есть столько металла, сколько желательно или возможно окислить в условиях проведен.ч процесса окисления, то на месте взаимосвя- О занного металла будут образовываться поры в керамическом композите. Полученный керамический композиционный продукт согласно изобретению содержи-:,сколько аксиально центрированных пространствен но разделенных цилиндрических стенок, инверсионно отображающих в противоположном направлении геометрическую форму первоначальной модели, и (продук согласован по дифференциальным О объемным изменениям основного металла,связанным с точкой плавления и термическим ра:ширением металла в процессе окисления в отношении полученного и охлажденного композитного тела, В предпоч тительном варианте осуществления стеночные элементы центрированы соосно, и керамический продукт содержит центральный канал для жидкости и один или более концентрически расположенных жидкостных каналов, М: г; .:," подобно, -.т"к 1838280 1240 50 туры может быть полезен особенно в качестве теплообменника.На фиг.1 и 2 представлены перспективные аиды полостных моделей основного металла 1, профилированного в виде цилиндрической трубы или цилиндра, имеющего стенку 2 и центральное отверстие 3, простирающееся аксиально через него, Цилиндрическая труба 2 имеет несколько отверстий, проходящих в поперечном направлении через стенку 2 цилиндра 1. На фиг,2 и 4 показан материал наполнителя 5.В осуществлении изобретения, показанномна фиг,З, цилиндрическая труба имеет множество вытянутых в длину щелей 6, простирающихся в продольном направлении почти на всю часть стенки цилиндра. В этих выполнениях отверстия 4 и щели 6 снабжены материалом наполнителя 5, как показано на фиг.2 и 4, Засыпка материала наполнителя 5, состоящая из того же или отличного от него материала, расположена в какдом центральном отверстии 4, но если желают, то внутренняя стенка каждого цилиндра может быть футерована засыпкой заранее заданной толщины с тем, чтобы заполнить только часть отверстия, и пролегающая глубоко внутри граничная поверхность засыпки снабжена подходящим барьером, чтобы ингибировать рост (не показано, и описано детально ниже), Таким образом, если отверстие имеет большое отношение длины к диаметру, то газообразному окислителю мокет быть нелегко проникать в засыпку при проведении процесса, оставляя при этом неплотный материал засыпки, и в таком случае может быть выгодным предусмотреть засыпку с жидким или твердым окислителем, как это разъяснено подробно далее). В предпочтительном осуществлении настоящего изобретения засыпки состоят или включают спекающийся или самосвязывающийся наполнитель, или связующее или спекающее средство, Следует понимать, что такая самосвязывающаяся зона может включать только часть засыпки или по существу весь слой, и далее, материал наполнителя может быть внутренне самосвязывающимся либо благодаря присущим материалу свойствам или подходящий материал может быть введен в слой для обеспечения достаточного связывания, Как показано на фиг,5, только в целях иллюстрации, боковые краевые стенки основного металла снабжены подходящим барьером 7 (детально описан ниже) и основной металл внедряется затем в засыпку из частиц наполнителя 8, помещенного в жаропрочный контейнер 9, такой как тигель из глинозема. Засыпки наполнителя 5, 8 мо 5 10 15 20 25 30 35 гут иметь одинаковый или различный состав, чистоту или тип,При нагревании сборки, показанной на фиг,5, до температуры, существенно превышающей точку плавления основного металла, окислитель, такой как окислитель в паровой фазе, который проникает в засыпку и контактирует с расплавленным металлом, окисляет расплавленный металл и происходящий при этом рост продукта реакции окисления инфильтрует засыпку 5 и 8. Барьерные средства 7 ингибируют рост продукта реакции окисления от концевых стенок модели, Например, если основным металлом является алюминий, а воздух является окислителем, то температуре реакции окисления может быть в интервале от 690 до 1450 С, предпочтительно от 900 до 1350 С, и продукт реакции окисления типично представляет собой а-глинозем. Расплавленный металл мигрирует через образовавшийся слой продукта реакции окисления из объема, ранее занятого моделью 10, что может привести к пониженному давлению в этом объеме вследствие непроницаемости для окружающей атмосферы растущего поверхностного слоя продукта реакции окисления и. нормальном давлении, действующем на контейнероподобный поверхностный слой продукта реакции окисления. Разумеется, засыпки материала наполнителя (или его опорные зоны) могут быть внутренне самосвязывающимися при температуре само- связывания и выше, которая находится в интервале выше точки плазления основного металла, но ниже температуры реакции окисления или близкой к ней, Таким образом, будучи нагретыми до температуры самосвязывания, но не ранее, засыпки наполнителя или его поддерживающие зоны спекаются или иным образом связывают себя и соединяются с растущим продуктом реакции окисления достаточно прочно для того, чтобы придать необходимую прочность засыпкам, т.е, поддерживающим зонам, чтобы противостоять перепаду давления и сохранить в каждой засыпке наполнителя геометрию цилиндрических стенок и заполненной полости, образованной в ней уподоблением эасыпок форме модели, Как описано детально ниже, если наполнители были самосвязывающимися значительно раньше до окончания расширения основного металла при нагревании,и его расплавлении, то самосвязывающиеся наполнители будут трескаться или разрушаться при расширении металла. В осуществлении изобретения, при котором только поддерживающая зона наполнителей со 13 183826 о/держит или включает спекающийся или са. мосвязывающийся наполнитель или 1 связующее или спекающее средство,г 1 унктирными линиями 10 на фиг,6 (показана протяженность поддерживающей зоны в засыпках. По мере продолжения реакции полость в засыпках ранее заполненная моделью, почти полностью освобождена в результате миграции расплавленного основного металла через продукт реакции окисления к наружной поверхностиего, где расплавленный металл контактирует с окислителем в паровой фазе и окисляется с образованием дополнительного продукта реакции окисления, Продукт реакции окисления содержит оликристаллический керамический матеиал, который может содержать включения оставляющих основного металла, а равно ак и восстановленные составляющие приадки и твердый или жидкий окислитель, сли таковой используется, в зависимости т условий процесса и реагентов, применямых в нем. По окончании реакции и освоождению объема, ранее занятого моделью,борку охлаждают для извлечения полученного керамического композита, показанноо позицией 11 на фиг.7 и 8.Полученный композите 31 содержит конентрические цилиндры 12 и 13, имеющие ентральный канал 14 и окружные каналы 5. Два цилиндра поддерживаются в протранственном отношении друг к другу мноеством радиально расположенных спиц ли ребер жесткости 16 (см. на фиг.8 котоые сформированы 1 п. вто и заодно целое сонцен грическими цилиндрами композита, избыток наполнителя; если таковой имеетс)я, отделяет от композитного тела струйной сбработксй, вибрацией, в барабане для очистки огливок шлифованием и тому подо 1 ныом. Экономичной технологией является струйая обработка с использованием частиц магериала, который пригоден в качестве наполнителя или компоненты наполнителя, для того чтобы удаленный наполнитель и материал для струйной обработки мог быть повторно использован как н полнитель в последующей операции. Две если наполнитель может связываться в и оцессе реакции, степень прочности этого с мосвязывающегося наполнителя обычно г раздо меньше чем прочность полученного к мпозита, и, следовательно, полезно удалить и Ьыток самосвязывающегося наполнителя о дувкой частицами без существенного по- в еждения композитного тела. Поверхности керамических композитных изделий могут быть грунтованы или механически обработаны или иным образом сформованыдо желаемых размеров, формы или конечной составляющей с размером и формой по ученных в них перепускных каналов,Можно виде ., что модель, профилиро 5 ванная как цилиндрическая труба, дает дваконцентрически расположенных цилиндртаких как цилиндоа 12 и 13, Таким образом.в процессе реакции окисления керрмн .ская матрио растет латерально в обоих на правлениях, т,е,(а) внутрь от поверхностистенки основного металла в полость или централ ьное отверстие и (о) наружу от внешней поверхности стенки основного металла.с образованием внутреннего цилиндра 1215 внешнего цилиндра 13, а также опорныхэлементов 16.Модель основного металла может бытьпрофилирована и конструирована так, чтобы получить более двух цилиндров, Напри мер, модель основного металла, показаннаяна фиг,9 позицией 17, может. быть сформо-вана как два концентрически расположенных металлических цилиндра 18 и 19, каждый из них снабжен отверстиями 20 и 25 21, проходящими в поперечном направлении, Могут быть получены продольные ре. бра 22, предпочтительно из керамики, такой как глинозем. Модель погружают в подходящий наполнитель, находящийся в жароп рочном контейнере, аналогично тому, какпоказано на фиг.5, так что засыпки наполнителя расположены в центральном отверстии внутреннего цилиндра 18, между цилиндрами, окружают внешний цилиндр и 35 заполняют отверстия 20 и 21, В ходе реакции окисления цилиндрическая стенка внутренней цилиндрической модели 18 образует продукт реакции окисления в противоположных направлениях с формированием па ры внутренних цилиндрических стенок 23 и24, которые поддерживаются концентрическими и пространственно разделенными множеством спиц или ребер жесткости 25 (см. на фиг.10), полученных в результате ро ста продукта реакции окисления в виде матрицы в наполнитель, который был помещен в поперечные отверстия 20, Аналогично этому цилиндрическая стенка внешнего цилиндрического шаблона (модели) 19 образует 50 продукт реакции окисления в противоположных направлениях в ходе реакции окисления с образованием пары внешних цилиндрических кер-мических стенок 25 и 26, которые удерживаются в концентриче ском и пространственном поло:ении множеством спиц 55, полученных в результат," прорастания продукта реакции окисления как матрицы в наполнитель, который был помещен в поперечные отверстия 21, Про дукт реакции окисления, образующийся50 ростом керамических стенок, будет формироваться у основания продольных ребер 22, связывая при этом эти ребра на месте и поддерживая разнесенные в пространстве стеночные элементы 24 и 25, Полученный композит имеет центральный перепускной канал для жидкости и окружные или концентрические каналы 27, 28 и 30,В дальнейшем варианте осуществления модель основного металла, показанная позицией 31 на фиг,11, гложет быть сформована так, что, будучи погружена в наполнитель, находящийся в контейнере, аналогично показанному на фиг,5, внутренняя цилиндрическая модель 32 основного металла окружена внешней цилиндрической модель.о 33 и концентрически размещена по отношению к внешней цилиндрической модели 33 основного металла, Внутренняя цилиндрическая модель 32 содержит мнокество отверстий 34, проходящих в поперечном направлении, Таким образом, внешняя цилиндрическая стенка модели 62 окружена барьерными средствами 35, которые ингибируют; затрудняют лли прекращают рост или развитие продукта реакции окисления, как будет разьясне о ниже. Что касается других вариантов осуществления изобретения, то подходящий наполнитель, который может вклю,ать поддерживающие зоны, помещен или расположен в центральном отверстии цилиндра 33 и между внутренней цилиндрической глоделью 32 и внешней цилиндрической моделью ЗЗ, а также в поперечных отверсгиях 34, В результате процссса реакции окисления цилиндрическая стенка внутренней цилиндрической глодели 32 форглируат продукт реакции окисления в противопо. ложных направлениях, образуя при этом па:. ру внутренних цилиндрических керамических стенок,55 и 36, которые поддерживаются концентрически и пространственно разделенными множеством ребср жесткости или спиц 37, полученных в результате прорастания продукта реакции окисления как керамической матрицы в наполнитель, который был ранее помещен в поперечные отверстия 34, Барьерные средства 35 предохраняют цилиндрическую стенку внешней цилиндрической модели ЗЗ от роста и развития продукта реакции окисления в наружном направлении. Таким образом цилиндрическая модель 33 продуцирует целостную цилиндрическую керамическую композитную стенку 36 в процессе реакции окисления прорастанием продукта реакции окисления в наполнитель, Одно или более ребер жесткости 38, таких как керамическое ребро жесткости, может 10 15 20 25 30г ,з,) 40 45 быть помещено между цилиндрическими стенками аналогично описанному со ссылкой на выполнение изобретения на фиг.9 и 10. Керамический композит содержит центральный канал для жидкости 39 и концентрические каналы 40 и 41. Таким образом, при осуществлении настоящего изобретения может быть получен керамический композитный продукт, имеющий две или более цилиндрических стенок варьированием полой модели основного металла и использованием барьерных средств,Выбором подходящего наполнителя и поддержанием условий проведения реакции окисления в течение времени, достаточного для эвакуации по существу всего расплавленного основного металла из заполненной полости, вначале занятой моделью, получают точное инверсионное отображение, геометрии модели (включая всякие отверстия, щели и тому подобное). Хотя форма, показанная на чертежах (и поэтому все сформованные цилиндрические стенки и пространства) являются относительно простой, однако могут быть сформованы полости и другие пространства и керамическом ког, позите, которые с точностью инверсионно воспроизводят формы моделей более сложной геометрии,Наполнитель, который согласуется с моделью и используемый для осуществления изобретения, может быть одним ипи более из широко распространенных материалов, пригодных для этой цели,Используемый в описании и в формуле изобретения термин "согласующийлся" в применении к материалам наполнителя означает, что наполнитель представляет собой материал, который может быть упакован вокруг, приложен к модели или обмотан вокруг модели и согласован с геометрией модели, погрукенной о наполни тель, Наполнитель может включать, например, волокна, нитевидные кристаллы, порошки и тому подсбное, мокет также содержать либо гетерогенное или гомогенное сочетание двух или более таких компонентов или геометрических конфигураций, т.е. сочетание мелких частиц и нитевидных кристаллов, Физическая конфигурация напопнителя должна обеспечить погружение модели в массу наполнителя и окружение ее наполнителем с тесным согласованием с поверхностями модели, Модель основного металла применяется в описании и в формуле изобретения как "модель", так как пространство, образованное в конечном счете в композите, представляет собой негатив геометрии модели,Подходящие наполнители включают, например, оксиды, карбиды, 1838200наполнитель не должен ься или взаимодейство , что образуется непро усобная блокироват итриды и бориды, такие как глинозем, двукись циркония, борид титана, карбид кремия, нитрид алюминия и нитрид титана или войные, тройные или еще более высокого орядка оксидные соединения металлов такие как шпинели, т,е. шпинель алюмината магния,Согласующийся наполнитель является материалом, который в условиях реакциикисления проницаем для проникновения через него окислителя, если последний находится в паровой фазе. В любом случае аполнитель также проницаем для роста и азвития е нем продукта реакции окисления.Самосвязывающийся наполнитель не1 спекается и должен сохранять свою согласованность, чтобы противостоять разнице в обьемных изменениях между ним и основным металлом, когда последний нагревают и плавят, и затем самосвязываться для обеспечения механической прочности для разв тия полости, когда реакция окисления п,рогрессирует.Употребленный в описании и в формуле и обретения для характеристики согласуюегося наполнителя термин "самосвязыващийся" означает такие наполнители, к торые, будучи размещены в согласую-емся контакте с основным металлом, сох аняют достаточную приспособленность к о ьемным изменениям основного металла и и точке плавления и дифференциальному т рмическому расширению между основн м металлом и наполнителем, и по меньей мере в его поддерживающей зоне, непосредственно примыкающей к положительной модели,Наполнитель должен быть согласую- ЙИМСЯ И/ИЛИ СЭМОСВЯЗЫВЭЮЩИМСЯ ТОЛЬКО В тй части слоя наполнителя, которая являетс смежной с моделью основного металла и сформована ею,В любом случае наполнитель не должен спекаться, сплавляться или взаимодействовать таким образом, что образуется непронцаемая масса, способная блокировать инфильтрацию продукта реакции окисления в наполнитель или, когда используют окислитель в паровой фазе, то проход такого профазного окислителя через наполнитель,Наполнитель должен быть согласуюЧимся и/или сдмосвяэыВдющимся тОлькО с т й части слоя наполнителя, которая являетс смежной с моделью основного металла и с ормована ею.В любом случае сйекаться, сплавлятвать таким образом ницаемая масса, ь инфильтрацию продукта реакции окисленияв наполнитель или, когда используют окислитель в паровой фазе, то проход такогопрофазного окислителя через наполнитель5 Типичные окис гители Включают без .раничения кислород, азот, галоген, серу,фосфор, мышьякглерод, селен, теллур исоединения и их сочетания, например, дв,окись кремния (как источник к слородд),;е 10 тан, этан, пропан, ацетилен, этилен ипропилен (как источники углерода), и смеси,такие как воздух, Н 2/Н 20 и СО/С 02, последние две (т,е. водород - вода и окись углерода - углекислый газ) полезны для15 восстановления активности кислорода в а 1мосфере. В зависимости от применяемогоокислителя полученная керамическая матрица может содержать оксид, карбид, нитрид или борид,20 Хотя может быть использован любойподходящий окислитель, предпочтителенокислитель в паровой фазе (газ) и конкретные осуществления изобретения описаныздесь со ссылкой нд использование окисли 25 теля в паровой фазе, Термин "окислитель впаровой фазе" означает испаренный или газообразный материалы в нормальном состоянии. В случае. например, когдаосновным металлом является алюминий и30 окислителем является воздух, который наиболее предпочтителен по очевидной причине экономичности.Примером окислителя как "азотсодержащего газа" использованного в описании35 и в формуле изобретения, является так называемый "формир-газ", состоящий примерно из 96 объемных процентов азота и 4обьемных процентов водорода,Если используют твердый окислитель,40 то он обычно диспергирован по всем слоенаполнителя или в его части, прилежащейосновному металлу, в форме частиц или порошков, смешанных с наполнител", или вообще как покрытие на частицдх45 наполнителя. Может быть применен любойтвердый окислитель, Включая элементы, такие как бор или углерод, или восстанавливаемыее ссединения, такие как кордиериты,двуокись кремния и некоторые бориды бо 50 лее низкой термодинамической стабильности, чем боридный продукт реакцииосновного металла. Например, если используют бор ии восстанавливаемый борид вКаЧЕСтВЕ ТВЕРДОГО ОКИСЛИТЕЛЯ ОСНОВ, КОГО МЕ 55 талла алюминия, то полученный эодукт реакции представляе собой бор 1 д, люминия,Если ОснОвным мегдл 10 мяВляется и," лдодекаборид алюьния представляет собподходящлГ твср.ь,й Окислитель и продуктвключает д, .