Способ получения композиционного материала

(71) Ланксид Текнолоджи Компа(72) Терри Деннис Клаар. Кевинпин и Герхард Ганс Широки (ОЯ(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КООННОГО МАТЕРИАЛА(57) Использование: изобретеник получению композиционных Изобретение относится к способам изготовления композиционных керамических материалов, таких, как 2.гВ 2-2 гС-Лг - композиционный материал (далее обозначаемый "ЛВС" - композиционный материал) и к модификации свойств керамического композиционного материала путем снижения пористости керамического композита. Композиционный материал состоит из одного или нескольких боросодержащих соединений (например, борид или борокарбид) и изготавливается путем реакционной пропитки расплавленным металлом слоя или массы, содержащей карбид бора и один:ли несколько инертных наполнителей. Особое внимание в настоящем изобретении уделено модификации свойств 2 ВС-композита методом реакционной инфильтрации массы из карбида бора расплавом металла, таких как ЕГВ 2-ЕгС-Ег-композиционный материал, Сущность изооретения: изобретение относится к способам модификации свойств изготовленного материала, Способ заключается в том, что карбид бора предварительно смешивается с 5-50 мас,0 ь по меньшей мере одной из добавок, таких как карбид кремния, диборид титана, оксид алюминия, додекаборид алюминия, карбид тантала, карбид циркония, диборид циркония, карбид ванадия, карбид ниобия. карбид вольфрама, борид вольфрама, борид молибдена, Предлагается также при пропитке цирконием использовать циркониевую губку с содержанием олова не более 0.1 мас 2 з и. 3ф-лы. 1 табл., 5 ил.(т,е. материала, изготовленного реакционной пропиткой массы из карбида бора основным металлом - цирконием), Очевидно что методы. рассматриваемые в настоящем изобретении, являются общими для различных металлов,Масса, содержащая карбид бора, примыкает или находится в контакте с расплавленным металлом или металлическим сплавом, который расплавляется в инертной среде с определенным температурным режимом. Расплавленный металл пропитывает массу карбида бора и реагирует с карбидом бора, образуя, по меньшей мере. один продукт реакции, Карбид бора, по меньшей мере, частично восстанавливается расплавленным металлом, образуя при этомборосодержащее соединение металла (например, борид металла и/или соединение бора при определенном температурном режиме процесса), Обычно образуются также карбид металла, а в некоторых случаях и борокарбид металла, По крайней мере, часть продукта реакции поддерживается в контакте с металлом, и расплавленный металл втягивается или переносится к непрореагировавшему карбиду бора путем всасывания или капиллярного действия, Этот перенесенный металл образует присадочный металл, борид, карбид и/или борокарбид. Образование керамического материала будет продолжаться до тех пор, пока не израсходуется металл или карбид бора, или до тех пор, пока температура реакции не будет равной температуре внешней среды, Полученная в результате структура содержит одно или несколько соединений борида основного металла, борометаллические соединения основного металла, карбид основного металла, металл (или сплавы и интерметаллические соединения), или поры, или их комбинации, Эти несколько фаз могут быть связанными или не связанными в одной или нескольких областях на протяжении всего объема материала, Конечная объемная долевая концентрация боросодержащих соединений (т,е. соединения бора и борида). углеродсодержащих соединений и металлических фаз, а также степень взаимосвязей могут быть регулируемы путем варьирования одного или несколькйх условий, таких, как исходная плотность массы карбида бора, относительные количества карбида бора и металла (сплава). разбавление карбида бора наполнителем, температура. и время,Среда или атмосфера, которая использовалась инертна или химически неактивна в условиях реакции, Подходящей средой могут служить аргон или вакуум, Если в качестве металла используется цирконий, то полученный композит содержит диборид циркония, карбид циркония и остаточный цирконий.Было обнаружено, что при использовании циркония в качестве основного металла, 2 гВ 2-ЕгС-Ег композит имел нежелательный уровень пористости. имеющей место, по меньшей мере, в некоторых частях этого материала, Таким образом, возникает необходимость исследовать причину этого явления и по возможности устранить его.Это изобретение является дальнейшей разработкой способа получения композиционных материалов реакционной пропиткой металлом и направлено на устранение его недостатков. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Настоящее изобретение предлагает метод снижения степени пористости, присутствующей в композиционном материале, В частности степень пористости может быть уменьшена при помощи предварител:ного смешивания карбида бора с добавкой по крайней мере одного соединения: карбид тантала, карбид циркония, диборид циркония до того, как эта масса подвергнется реакционной ильфильтрации металлом. Упомянутые выше добавки могут быть введено в количестве 5-50 мас, ф ,Пористость может быть снижена также при использовании губчатого циркония в качестве металла для формирования ЕВС-композита, Снижая степень пористости, например, в ЕВС-композиционном материале, можно уменьшить процесс механической обработки, необходимой для снижения пористости материала, а то и совсем ее устранить,Губчатый цирконий, содержащий олово в количестве около 1000 ррв (числ. част, на млн) по массе, а предпочтительно менее чем 500 рргп по массе в качестве загрязняющей примеси в сплаве, может быть использован как металл вместо используемого циркония, содержащего олово000-2000 рргп по массе, При использовании этих предложенных методов можно создать композиционный материал, имеющий сниженную степень пористости,Кроме этого, с целью модификации свойств полученного композиционного материала в В 4 С можно подмешивать и другие добавки, взятые отдельно или в комбинации. В частности, такие добавки как ЧС, КЬС, ЧЧС, В/В и Мо 2 Об могут комбинироваться с ВаС-материалом в количестве 5 - 50 мас. до того, как этот материал будет подвергнут реакционной инфильтрации, Эти добавки, а также рассмотренные выше ТаС, УгС и ЕгВ 2 могут воздействовать на такие свойства материалов как жесткость, модуль упругости, плотность и размер частиц.Очевидно, что даже если обсуждаемые выше добавки по своей "чистоте" соответствуют своей химической формуле, все же некоторое количество примеси вполне допустимо, поскольку эти примеси не препятствуют процессу формирования окончательного продукта и не вносят в него нежелательных побочных компонентов,Особое значение в настоящем изобретении придается модификации свойств 2 В С-ком позита (т, е. ком пози цион ного материала полученного путем реакционной пропитки массы, содержащей карбид бора, цирконием). Однако, метод, рассматривае-. мый в настоящем изобретении, является,10 мас,2 гВг, После всех стадий процесса изготовления, описанных выше, было обнаружено, что пористость, полученного в результате ЕВС-компонента практически полностью устранена.Вторая отличительная особенность настоящего изобретения заключается в практически полном устранении пористости, имеющей место в областях заготовки из карбида бора, граничащих со стенками графитового огнеупорного сосуда, которая осуществляется при использовании в качестве металлов циркониевых сплавов, отличных от тех, что применялись в описанном выше примере. В частности, в примере, описанном выше, используется практически доступный сплав циркония марки 702. Однако было неожиданно обнаружено, что сплав марки 702 оказывает вредное воздействие на конечный продукт 2 ВС-композита, так как он включает 0,1 - 0,2 мас,олова (т.е.1000 - 2000 ррах по весу олова), Присутствие олова в таких количествах является нежелательным, поскольку очевидно, что когда В 4 С-заготовка подвергается процессу реактивной инфильтрации сплавом циркония марки 702, зона металла по фронту инфильтрации начинает обогащаться оловом, Эта зона или слой обогащенного оловом металла образуется на границе или возле границы раздела, проходящей между нижней поверхностью В 4 С-заготовки и графитового огнеупорного сосуда (т.е, на или возле границы раздела 4, см. фиг.1), Очевидно, что этот слой олова улетучивается на границе раздела 4, что влечет за собой образование пор в ЛВС-композите, Это явление можно устранить, если в качестве металла использовать губчатый цирконий, содержащий менее чем 1000 рра по массе олова (менее 0,1 мас, ), а в предпочтительном варианте менее чем 500 ррах по весу олова, Таким образом, используя в качестве основного металла губчатый цирконий от Теесауле ЧаЬ СЬа 9 АЬЬапу, содержащий олово в количестве около 200 рргл, можно практически полностью исключить образование пористости на границе раздела 4. При этом исключаетсятакже и дополнительная шлифовка или механическая обработка изделия, что снижаетего себестоимость,5 Другие примеры выполнения представлены в таблице.Так как описанные выше примеры раскрывают настоящее изобретение в его предпочтительном осуществлении, то вполне10 очевидно, что они не ограничивают специалиста в данной области в осуществлениинастоящего изобретения в других вариантах и модификациях, если только они неискажают сущности данного изобретения,15 которая представлена ниже в формуле изобретения.Формула изобретения1, Способ получения композиционногоматериала, включающий нагрев металла в20 инертной атмосфере до температуры вышеточки плавления в контакте со смесью, содержащей карбид бора и добавку, выдержкупри этой температуре в течение времени,достаточного для пропитки расплавленным25 металлом массы из карбида бора с добавкойи протекания реакции расплавленного металла с карбидом бора до образования поменьшей мере одного боросодержащего соединения металла, о т л и ч а ю щ и й с я тем,30 что, с целью модификации свойств материала, в качестве добавки используют по меньшей мере одно соединение из группыкарбид кремния, диборид титана, оксидалюминия, додекаборид алюминия, карбид35 тантала, карбид циркония, диборид циркония, карбид ванадия, карбид ниобия, карбид вольфрама, борид вольфрама, боридмолибдена в количестве 5 - 50 мас. , а вкачестве металла - титан или цирконий.402, Способ по п 1, о тл и ч а ю щи йс ятем, что в качестве металла используют циркониевую губку с.содержанием олова не более 0,1 мас45 3, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что количество добавки в смеси составляет более 10 мас. ф ,очевидно, общим для целого ряда различных металлов.Нэ фиг,1 представлено сечение в вертикальном разрезе огнеупорного сосуда 1, содержащего заготовку 2 модифицированного В 4 С в контакте со слитком циркония 3.На фиг.2 представлено сечение в вертикальном рагрезе огнеупорного сосуда 1, содержащего заготовку 2 в контакте сгубчатым цирконием 3.На фиг,3, 4, 5 представлена структураполученного композиционного материала.Заготовка на карбида бора может бытьизготовлена одним из стандартных способов получения керамических материалов,включающих одноосное прессование, изостатическое прессование, шликерное литье,литье с осаждением, ленточное литье, заливка металла в форму под давлением методом впрыска, намотка волокна дляволокнистых материалов и т,д, Помимо того,указывается, что исходное связывание материалов, составляющих заготовку, до того,как она подвергается реактивной инфильтрации, может быть осуществлено таким методом, как легкое спекание материалов, илииспользование различных органическихили неорганических связующих материалов, которые не препятствуют процессу образования конечного материала и не вносятнежелательных побочных продуктов в этотматериал,Заготовки, сформованы таким образом,чтобы придать им достаточную сплошностьи прочности всырую, проницаемость для переноса расплавленного металла, пористость около 5 - 90 по объему,предпочтительно около 25 - 75 опо объему,В заготовке из карбида бора можно такжекомбинировать и другие материалы, как например, карбид кремния, диборид титана,оксид алюминия и додекарбид алюминия,Эти материалы можно также использовать,в соответствии с настоящим изобретением,в качестве добавок, поскольку они не оказывают неблагоприятного воздействия на механические свойства или процессизготовления композиционного материала,При подмешивании около 5 - 50 мас,любого из соединений ТвС, 2 гС или 2 гВг,имеющего уровейь чистоты, по меньшей мере, около 99 о , к карбиду бора и соответствующего связующего материала, как. например, органических или неорганических связок и формируя заготовку с последующей реакционной пропиткой цирконием степень пористости полученного в результате ЕВС-композита можно снизить посравнению с пористостью композита, изготовленного без применения наполнителей.404550 55 два часа и поддерживают при этой температуре еще два часа. После чего печь охлаждают в течение пяти часов, После охлаждения сформированный УВС-композит удаляют из печи,При исследовании полученного ЕВС- композита было обнаружено, что степень пористости в нижней 1/4 части 2 ВС-композита (т,е. той части материала, которая была с самого начала наиболее удалена от слитка основного металла) меньше по сравнению со степенью пористости 2 ВС-композита, изготовленного без добавки ТэС.2 ВС-композиционный материал, изготовленный без введения в его заготовку добавки ТаС, обычно содержит значительную степень пористости на границе раздела 4 между нижней поверхностью заготовки 2 и огнеупорным сосудом 1,Предложенная выше технология изготовления композитов была точно осуществлена, за тем лишь исключением, что вместодобавки ТаС в качестве добавок в заготовку из карбида бора вводилась 10 мас.ЕгС и Далее приводятся примеры, демонстрирующие разные аспекты воздействия добавок любого из соединения ТаС, ЕгС или ЛгВ к карбиду бора до того, как он будет подвер гнут реактивной пропитке цирконием.П р и м е р ы 1 - 3. Заготовка из карбидабора, размером 2,54 см в диаметре и 1,0 см толщиной изготавливается путем смешивания 85 мас, оВ 4 С(зернистостью 1000 от 10 ЕЗК), 5 мас,% органического связующего(АсгаИ/ах-С от Ьопза ггс.) и 10 мас. ОТаС (от Атапбс Ернрвепс Епдпеегз), Смесь помещают в стальную пресс-форму и прессуют методом полусухого прессования под дав лением около 141 кг/см . Как показано нагфиг.1, заготовка помещается на дно графитового огнеупорного сосуда 1 и находится в контакте со слитком циркония 2 (марка сплава 702 Ег, Теебупе И/аЬ СЬапд АЬапу), 20 Графитовый огнеупорный сосуд вместе с егосодержимым помещается в нагревательную печь с контролируемой атмосферой. Атмосферой в печи является аргон (Мэйезоп Оаз Ргобцс 1 з, пс). Печь сначала вэкуумируют 25 при комнатной температуре до давления 1 х-210 торр, а затем заполняют аргоном, Затем печь снова вакуумируют до давления 1- 2х 10 торр и после этого нагревают от комнатной температуры до температуры свыше 30 250 С в течение 30 мин. Затем печь нагревают от 250 до 450 С со скоростью разогрева 100 С в час. После этого печь снова наполняют аргоном при скорости текучести 0,5 л в минуту и затем поддерживают под 35 давлением около 0,141 кгс/см, Затем печьнагревают до температуры свыше 1950 С зэ10 1809826 ТМеталл Условия пропитки Масса меПример Размер заготовки ммготовки,851 ВС10 ь гтс5 Ф орг.связка 562 51 х 51 х 8, 1 169 как в примере 27,3 сплав циркония марки 702 228 85 вс10 Ф гтС5 ь орг.связка как в примере 1выдержка при 1900 С 31,2 сплав циркония марки 702 51 х 51 х 9,7 51 х 51 х 12,7 243 как в примере 1,выдержка при 1900 С 39,9 циркониевая губка51 х 51 х 127 седиментац.литье 21,4 4254 х 127 85,5 Ф Вьс 9, 5 Ф твз5 орг,связка 7,9 сплав титанафмарки 2 как в примере 1выдержка при 2000 С 352 4254 х 127 352 Сплав циркония марки 702; минимум 99 2 Ж гт и НГ4 5 Ф НЕ 4 02 Ж (Ре и Ст)Ф.Сплав титана марки 2; 40031 И 4 010 ь С, 4 0015 ь Н,остальное - титан 95 ВС5 Ф ВьС8 аа вс202 В 1 С50 Ф в с50 Ыс 761 Вьс9 5 тьва9,5 тс5 Ф орг.связка 7,6 сплав титана 214 . как в примере 1 марки 2 выдержка при 2000 С1809826 йж 4 УГ 1 итель Е,ЮдинаМ,Мор ентал Корректор Н,Король дактор В,Трубченко Производственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород. ул.Гагарина 101 аказ 1296 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по113035, Москва. )КПодписноеобретениям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб., 4/5