Способ получения материала на основе нитрида кремния

СНИХ ОЦИАЛИСТОПУБЛИ ЗЯЮ С 04 В 35/58 ПИСА ОБР И У. К(54) (57)НА ОСНОВЕна основетемператугорения п о т л и чцелью получповышеннойностью годержащую,ов ас 4-54 4-55 КремнийНитридУглеродформуют изие которы600 К. я ваотовкн, азот твляют при 2 ее ос ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ СКОМУ СВИДЕТЕЛ(56) 1. Авторское свидетельство СССР9 518274 кл. С 04 В 35/58, 19762. Авег 1 сап. Сегав 1 са Яос 1 еСу Вц 11,1978, ч, 57,. В 5, р, 525.3 Патент США М 3839541,кл. 423-344, опублик. 1976.4. Мержанов А.Г. и Боровинс",кая И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в химии итехнологии тугоплавких соединений.Журнал Всесоюзного химическогообщества, 1979, т. 24, В 3, с.223. ПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка кремния путем его высоко- .ного аэотирования врежиме и давлении 100-1000 бар, а ю щ и й с я тем, что, с ения иэделий, обладающих высокотемпературной прочт ят смесь порошков, соИзобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению керамических иэделий иэ реакционно-спечЬнного нитрида кремния,которые обладают высокой термопроводностью, термостойкостью и эро-эионной стойкостью. Эти иэделия применяют в качестве конструкционныхэлементов, работающих в экстремальных тепловых условиях, например,деталей газотурбинных двигателей, 10Известен способ получения реакционно-спеченного нитрида кремнияпутем азотирования прессованной заготовки иэ порошка кремния в кремний-.содержащей засыпке (порошок нитрида 15бора и кремния) при 40-60 атм и 20002100 К Я.Недостатком этого способа является длительность процесса азотирования и применение энергоемкого печно Ого оборудования,Известен способ получения реакционно-спеченного нитрида кремнияпутем азотирования заготовок иэ тон- .кодисперсного порошка кремния газо-,образным азотом при 1600 К в течение 120 ч (,2,Недостатком указанного способа является длительность процесса азотирования а также применение энерго ЗО емкого, уникального, дорогостоящего ,технологического оборудования, обус-ловленное использованием высоких температур и давления.Известен также способ получения 35 керамических изделий на основе нитрида кремния, заключающийся в том, что порошок кремния предварительно смешивают с иитридом кремния (5- 50 мас,Ъ) и с кислородсодержащим со единением (1,5-2,4 мас.Ъ), затем формуют изделие, которое подвергают азотированию газообразным азотом при 1700 К в течение 4-5 ч 3)Использование кислородсодержаще- . 45 го соединения загрязняет керамическое изделие окислами, которые ухуд" шают его высокотемпературную прочность.Наиболее близким к предлагаемому является способ получения нитрида кремния с содержанием кислорода менее 0,5 Ъ путем высокотемпературного азотирования в режиме горения (самораспространяющегося синтеза - СВС) порошка кремния при Р до 4000 К и давлении до 1000 бар 4 .Данный способ позволяет получать порошок нитрида кремния с незначительным содержанием кислорода, однако для дальнейшего получения плот ных горячепрессованных изделий в шихту необходимо вводить кислородные спекающие добавки, что обусловливает падение прочности с ростом температуры. Цель изобретения - получение изделий, обладающих повышенной высокотемпературной прочностью.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу получения материала на основе нитрида кремния иэпорошка На основе кремния путем еговысокотемпературного азотирования врежиме горения при давлении 1001000 бар, готовят смесь порошков,содержащую, мас, Ъ: кремний 44-54,нитрид кремния 44-55; углерод 1-3,формуют иэ нее заготовки, азотирование которых осуществляют при 23002600 К,Азотирование в режиме горения(процесс СВС) основано на том, чтореакция образования нитрида кремния является экзотермической и протекает со значительным выделениемтепла:Ьйс 15+ й 2 ф С 51 М 4+ йСфй,где Ц - теплота реакции,Это приводит к тому, что послелокального воспламенения смеси фронтгорения распространяется по формованному изделию самопроизвольно соскоростью 1 мм/с, температура вофронте горения достигает 2600 К. Таким образом, процесс аэотированияпротекает за.2-3 мин.Увеличение температуры азотнрования свыше 2600 К приводит к увеличению диссоциации нитрида кремнияи, следовательно, к уменьшению содержания азота в полученном изделии,что ухудшает его высокотемпературнуюпрочность. Снижение температуры ниже 2100 К не позволяет осуществитьСВС.Снижение давления ниже 100 бар необеспечивает необходимую полнотуазотирования иэделия, При давлениивыше 1000 бар из-за больших теплопотерь не осуществляется СВС,Введение в исходную смесь углерода связывает свободный кремний, который выплавляется иэ иэделия, таккак температура в режиме горениядостигает (2600 К) и значительно превышает температуру плавления кремния(1700 К);Введение в исходную смесь углерода менее 1 мас.Ъ приводит к выплавлению свободного кремния из изделия,что ухудшает его физико-механические свойства, А введение углерода висходную смесь свыше 3 мас,Ъ приводит к сильному газовыделению за счетвосстановления углеродом окиси кремния, которая всегда в небольшом количестве присутствует на частицахкремния, и нарушает прочность образца.П р и м е р. Берут 44 мас.Ъ порошка кремния марки КРО, ГОСТ 216969 с удельной повеРхностью 4 м/г,смешивают с 55 мас.Ъ порошка нитрй- ф да кремния ТУ 20-23-80 с удельной поверхностью 0,3 м/г и 1 мас.Ъ .углерода в виде сажи марки ПМТС ОСТ 381531-73 с удельной поверхностью 16 м/г в шаровой мельнице в течение 20 ч. Затем в полученную смесь добавляют пластификатор, состоящий из пчелиного воска и парафина, формуют методом полусухого прессования 9 иэделие, имеющее плотность 1,8 г/см. После этого иэделие помещают в сушильный шкаф при 600 К и за 8 ч удаляют пластификатор. Затем иэделие . помещают в реактор-СВС на графитовую подложку. Сбоку изделия .насыпают тонкий слой исходной смеси и в контакте с ней размещают вольфрамовую спираль, укрепленную в герметичные электровводы. Далее реактор эакрывают герметичной крышкой, откачивают до давления 10-1 бар и заполняют азотом до давления 100 бар.Подле этого на вольфрамовую спиральподают электрический импульс (Цф 3050 В, 3 "40-50 А, 3-4 с длительности) .Электрический импульс инициирует всмеси и изделии, реакцию СВС, котораяпротекает при 2300 С со скоростью1.мм/с. Процесс горения длится 2 О 3 мин. После естественного остывания продуктов реакции реактор открывают и извлекают иэ него изделие из1реакционно-спеченного нитрида кремния,15 Режимы синтеза, данные по составуплотность и прочность, полученногоиэделие. представлены в таблице.Плотность полученного иэделия2,3 г/см 9,1073229 7Материал, изготовленный из порошка нитрнда кремния, полученного методом СВС, имеет плотность (порис- тость Ф), лезацув в тех ие пределах 24-25 г/см з (25-23) прочность при изгибе 12-16 кг/мм при 293 К и всего3,2-5 кг/ммпри 1800 К,в то время,какматериал, из готовленный даным способом,имеет прочность 16 кг/ммьв интервале температур 29.3-1800 К.Составитель Н. Соболева,Редактор Т. Веселова Техред Т.Маточка Корректор С, ШекмарЗаказ 264/21 Тирам 606 ПодписноеВЧИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, 3-35, Раущская наб д. 4/5филиал ППП ффПатентф, г. Уагород, ул. Проектная, 4