Способ изготовления полых тонкостенных керамических изделий

(1 1) 88775 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 05.10,79 (21) 2825891/29-33 1) 1 Кп 3В 28 В 1,/30 С 04 В 35/56 киприсоединением СССР ло делам изобретений(43) Опубликовано 07,12.81. Бюллетень45 6.764,588.8) открыт 45) Дата опубликован описания 07.12.8 убенко и И. АВаксер .(72) Авторы изобретения М. Кац 1) Заявит ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ТОНКОСКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 54) СПОСО Х Сущест фазного ность по вов, твер ментных цесс весь ные этим шерохова венным и осаждени лучения о дых раств и неодноф ма сложеметодом тые повер Государственный комитет(23) Приоритет Изобретение относится к области порошковой металлургии, связанной с изготовлением деталей из тугоплавких металлов, оксидов, керметов, карбидов, нитридов и подобных соединений, и может быть использовано при изготовлении футеровок высокотемпературных газовых трактов энергетических установок, мцогоэкранцых теплоизоляций, чехлов термопар, интерметаллцдных сверхпроводящих соленоидов и т. п.Тонкостенные изделия из ряда тугоплавких металлов и соединений могут быть получены методом химического газофазного осаждения 1.Тонкостенные изделия получают при этом аналогично покрытиям, с той лишь разницей, что подложку, на которой осаждают слой нужной толщины, удаляют. Таким путем изготавливают, например, тонкостенные изделия из пирографита, пиролитического иитрида бора, из карбографитов. едостатком метода газоя является невозможсадков из сложных сплаоров и других мпогоэлеазных композиций. Прон аппаратурно. Получен- заготовки также имеют хности и нуждаются в дополнительной механической обработке, например в шлифовании.Известен также способ изготовлениямногоэкранных теплоизоляций из карбидов5 и других тугоплавких соединений. По этому способу изоляцию из экранов с порошковым разделителем изготавливают путем отливки пластифицированных керамических экранов и последующего спекания. После О спекания экраны собирают в пакеты и калибруют при 1700 в 27 С под нагрузкой 21.Основной трудностью осуществления способа является то, что для обеспечения тре буемых точных размеров и формы изделияпосле спекания необходимо фольговые экраны, собранные в пакет, подвергать специальной калибрующей обработке при высокой температуре (обычно 2000 - 2500 С).20 Эта операция трудна, так как требует обращения с очень тонкими, хрупкими фольгами, К тому же метод горячей калибровки не позволяет получать цельно цилиндрические детали, и их приходится делать состав ными, например, из двух полуцилиндров.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ получения полых керамических изделий, включающий изготов ление ленты из пластифицированцых массао 65 на основе кремния, намотку за шаблон, удаление шаблона с последующим надеванием полученного полуфабриката па стальной цилиндр, нагрев до 200 С и высокотсмгератуный обжиг при 1350 - 1450 С в атмосфере азота Я.Недостатком этого спосооа является короблеппе изделий.Цель нзобретенп - исключение короолсния изделий.Цель достигается тем, что в способе изготовления полых тонкостенных керамических изделий, включающем получение лент из пластифицированных масс с поро 1 нковым керамическим наполнптелсм намотку их на шаблон, удаление шаблона и спекание изделий, в качестве порошкового керамического наполнителя используют карбиды тугоплавких металлов, шаблон выполняют из графита, перед намоткой на шаблон последовательно наносят барьерный слой карбида тугоплавкого металла и слой парафина или сахарозы или сплава Вуда, толщина которого на 1 - 10% меньше величины линейной усадки лент, спекание проводят в вакууме, после чего шаблон удаляют.При этом пластифицированные ленты соединяют в замкнутые кольца путем склейки эталоном.Толщина спекаемого по предлагаемому способу изделия может быть получена в достаточно широких пределах - от 20 до 1000 мкм в случае однослойных изделий и до 2 - 5 мм при изготовлении изделия из нескольких слоев одного и того же или разнородных тугоплавких материалов,Тонкие пластифицированные металлические или керамические пленки толщиной 20 в 10 мкм (предпочтительно, 100 - 300 мкм), могут быть изготовлены, например, прокаткой ленточных полуфабрикатов, пластифицированных раствором каучука с эпоксидной смолой, или путем экструдирования суспензии порошка тугоплавкого соединения в спирто-эфирном растворе поливинилбутираля на подложку из полиэтилентерефталата. Наиболее тонкие ленты минимальной толщиной 15 - 20 мкм получают путем экструдирования упомянутых суспензий. Дисперсным наполнителем суспензий может служить порошок тугоплавкого соединения, например, монокарбидов МЬС, ТаС, Т 1 С и др., сложных карбидов КЬС - ХгС, ХгС - ТаС - и т, и.Наиболее просто предлагаемым способом может быть изготовлено однослойное цилиндрическое 1 кольцо толщиной от 20 до 200 - 300 мкм. Пленку, отлитую, например, из суспензии с карбидным наполнителем, обертывают вокруг цилиндрической подложки, на которой образован слой удаляемого вещества. Л в качестве удаляемого промежуточного слоя наиболее удобно использовать парафин, сахарозу или сплав 5 10 15 20 95 зо 35 о 5 О 55 Вуда; нз ппх парафин предпочтителен. Толщина промежуточного слоя не может быть очень значительной и ограничена 5 - 10 мм; при большой толщине мокет произойти самопроизвольное гофрирование ленты в процессе спекания, Поскольку усадка пластифнцировапиых пленок обычно составляет 1520,о, то максимальный внутренний диаметр спеченного кольца составляет соответственно 113 вмм.Пленку, плотно обернутую вокруг шаб. лона с промежуточным слоем, необходимо зафиксировать, сшить. Эта сшивка при применении пленок, отлитых на поливинилбутиральной и подобной высокомолекулярной органической связке, производится путем склейки внахлестку концов пленки, смоченных этанолом. В качестве материала шаблона рекомендуется использовать обычный графит, легко поддающийся механической обработке.Для предотвращения карбидизации на графитовый шаблон наносят барьерное покрытие, например, пиролитический карбид ниобия толщиной 20 - 100 мкм путем осаждения из газовой фазы.Многослойные трубки могут быть изготовлены подобным же образом, применяя навивку на шаблон многовитковой спирали из пластифицированных лент. Количество слоев может достигать 10 - 20. При увеличении числа слоев затруднено получение плотного кольца после спекания, так как внешние слои будут садиться со все возрастающим зазором. Увеличение плотности кольца может быть достигнуто, если толщину промежуточного удаляемого слоя делать на 1 - 10% меньше величины линейной усадки пластифицированных лент, Указанное уменьшение толщины слоя полезно и при изготовлении однослойного кольца, так как позволяет создать небольшой натяг кольца на подложке и тем самым обеспечить более плавную и точную цилиндрическую форму.При изготовлении многослойного изделия из разнородных материалов, имеющих разную температуру начала спекания, слои необходимо укладывать на шаблон так, чтобы внутренние слои имели температуру спекания более низкую чем наружные и спекались раньше наружных.Предлагаемый способ поясняется схемами, приведенными на фиг, 1 - 3. 1-1 а шаблон 1 с промежуточным слоем 2 помещают пластифицированную пленку 3 (фиг. 1,а), При правильно выбранной толщине слоя 2 пленка после спекания (фиг, 1,б) плотно облегает шаблон. Благодаря сшивке концов пленки она после удаления шаблона не расходится, получается тонкостенная деталь (фиг. 1,в), форма и размеры которой точно соответствуют наружной поверхности шаблона,5 10 15 30 "5 30 35 40 45 50 55 60 11 а фиг, 2,а показана пленка в виде многослойной спирали 3, уложенной через промежуточный слой 2 на шаблон 1. На шаблоне имеется барьерное покрытие 4. После спекания спираль плотно облегает шаблон (фиг. 2,о). Снятая с шаблона спираль принимает вид, представленный на фиг. 2,в.На фиг, 3 показана схема укладки многослойной спирали двух пленок 3 и 5 из разнородных материалов.П р и м е р 1. Изготавливают однослойную гильзу из карбида ниобия диаметром 30 мм и длиной 60 мм. Пленочную заготовку отливают на полиэтилентерефталатную ленту из суспензии, содержащей тонко измельченный порошок карбида ниобия (удельная поверхность 3 мЧг), а в качестве связующего - поливинилбутираль, пластифицированный дибутилсебацпн атом в комплексном органическом растворе. Отлитую пленку толщиной 120 мкм высушивают и отделяют от ленты. Из пленки вырезают полоски 120)(75 мм, Полоску закрепляют на графитовом шаблоне цилиндрической формы диаметром 30 мм с толщиной стенки 1,5 мм, на котором был отлит слой парафина толщиной 3,5 мм. Обжиг производят в вакуумной печи при вакууме не ниже 1 10 -мм рт, ст, при температуре 1800"С (скорость подъема 350 град/ч) и выдержке при конечной температуре 30 мпн. После обжига усадка гильзы составила около 20%, в результате усадки гильза плотно облегает гра фиговый шаблон, приобретя ровную цилиндрическую форму. Затем с графитового шаблона осторожно снимают карбидную гильзу. Химический состав гильзы - МЬСо,е,П р и м е р 2. Изготавливают восьмислойную гильзу из твердого раствора ХгС - ХЪС с внутренним диаметром 30 мм, длиной 60 мм и толц 1 иной стенки около 1 мм. Пленочную заготовку отливают па полиэтилентерефталатную ленту из суспензии, содержащей тонкоизмельченный порошок сложного каРбида Его,еМЬо,;Со,е (Уделы 1 а Я поверхность 3 м-г), а в качестве связующего - поливинилоутир аль, пластифицированный дибутилсебацинатом в комплексном органическом растворе. Отлитую пленку толщиной 120 мкм высушивают и затем отделяют от ленты. Из пленки вырезают полосу шириной 75 мм и длиной 1000 мм, Этой полосой обматывают графптовый полый цилиндрический шаб.топ диаметром 30 мм с толщиной стенки 1,5 мм, на котором был слой парафина толщиной 3,5 мм. Обжиг производят в вакуумной электропечи с карбидниобиевыми нагревателями при температуре 2500 С и вакууме не ниже 1 19 -мм рт. ст, с выдержкой при конечной температуре 30 мин. 6П р и м е р 3. Изготавливают многослойную комбинированную гильзу, состоящую из восьми слоев вольфрама и расположенных под ними восьми слоев твердого раствора ХгС - ТаС. Пленочные заготовки отливают аналогично предыдущим примерам из суспензий, содержащих соответственно тонкомолотый (30 ч помола) порошок вольфрама, а также другие заготовки, порошок сложного карбида Его,еьТае,зьСе,ееИз отлитых пленок после сушки и отделения от ленты вырезают заготовки шириной 75 мм и длиной 1 м каждая. Ленточные заготовки наматывают последовательно по спирали на графитовый полый шаблон аналогично, предыдущим примерам. Шаблон имеет покрытие из карбида ниобия, осажденного из газовой фазы, толщиной около 50 мкм. Обжиг производят в вакуумной электропечи с карбидниобиевыми нагревателями при температуре 2400 С и вакууме не ниже 1 10 -мм рт. ст, с выдержкой 2 ч. После обжига и удаления графитового шаблона была, получена гильза с внутренним диаметром 30 мм, наружным диаметром 34 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 60 мм,Формула изобретения 1. Способ изготовления полых тонкостенных керамических изделий, включающий получение лент из пластифицированных масс с порошковым керамическим наполнптелем, намотку их на шаблон, удаление шаблона и спекание изделий, отлич а ю щи й с я тем, что, с целью исключения коробления изделий, в качестве порошкового керамического наполнителя используют кароиды тугоплавких металлов, шаблон выполняют из графита, перед намоткой на шаблон последовательно наносят барьерный слой карбида тугоплавкого металла и слой парафина или сахарозы или сплава Вуда, толщина которого на 1 - 10, меньше величины линейной усадки лент, спекание ,проводят в вакууме, после чего шаблон удаляют.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластифицированные ленты соединяют в замкнутые кольца путем склейки эталоном.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Аварбэ Р. Г. Химическое газофазное осаждение тугоплавких материалов. Л., 1976.2, Авторское свидетельство СССР586151, кл. С 04 В 35/62, 1976.3. Патент Англии1375223, кл, Е 2 Р, опублик, 1974,