способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения

Формула изобретения

1. Способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей оксид молибдена VI, алюминий, кремний и оксид кремния, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид молибдена VI	37,0-58,0
Алюминий	8,0-32,0
Кремний	22,0-34,0
Оксид кремния	до 100,0

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между реакционной смесью и стенкой формы помещают функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния или из порошка дисилицида молибдена.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения тугоплавких керамических материалов, в частности к способам получения литого дисилицида молибдена в режиме горения, который может использоваться для изготовления нагревательных элементов, конструкционной керамики и для нанесения защитных покрытий.

Известна шихта для получения материала для высокотемпературных нагревательных элементов методом экструзии в режиме горения, содержащая порошки трехокиси молибдена (оксид молибдена VI-MoO₃), алюминия, кремния и молибдена, при следующем соотношении компонентов, мас.%: MoO₃ 7,0-42,4, алюминий 2,7-15,9, кремний 29,0-38,2, молибден 12,7-52,1 (RU 2012550 C1, C04B 35/58, 1994.05.15). Недостатком данного изобретения является низкое (80%) содержание MoSi ₂ в конечном продукте, высокое содержание (20%) низкотемпературной оксидной фазы и достаточно низкий выход годного материала.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления высокотемпературных нагревателей на основе дисилицида молибдена, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов (шихты) и синтез в режиме горения, при этом для приготовления шихты используют стехиометрическую смесь порошков MoO₃ и Si с добавлением стехиометрической смеси порошков Mo и Si, a после синтеза жидкий дисилицид молибдена заливают в форму и охлаждают (RU 2184169 С2, С22С 29/18, B22D 15/00, Н05В 3/14, 2002.06.27). Синтез дисилицида молибдена проводят на воздухе. Недостатком данного способа является то, что температура реакции смеси MoO₃ и Si близка к температуре плавления MoSi₂, а температура реакции смеси Mo и Si ниже температуры плавления MoSi₂, в результате чего с учетом теплопотерь в окружающую среду и в материал реакционной формы, а также за счет дефектов литья, брызг и всплесков расплавленной шихты на воздухе получить качественный плавленый целевой продукт невозможно. Поэтому известный способ имеет низкий выход целевого материала и недостаточно высокое содержание MoSi₂, которое не превышает 70%.

Техническим результатом заявляемого способа получения литого дисилицида молибдена является повышение содержания основного компонента в целевом продукте, выход годного материала при сохранении его высоких эксплуатационных характеристик.

Технический результат достигается тем, что способ получения литого дисилицида молибдена в режиме горения включает приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей оксид молибдена VI, алюминий, кремний и оксид кремния, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением 0,1-10 МПа газа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид молибдена VI	37,0-58,0
Алюминий	8,0-32,0
Кремний	22,0-34,0
Оксид кремния	до 100,0

Между реакционной смесью компонентов и стенкой формы может быть размещен функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния (для уменьшения теплоотвода и предотвращения контакта целевого продукта со стенками реакционной формы).

В экспериментах использовали смеси порошков оксида молибдена (VI) марки «ч», алюминия марки АСД-1, кремний марки КР-0 и оксид кремния марки «ч». Состав конечного продукта регулировали варьированием соотношения между исходными реагентами.

Синтез осуществляют в реакторе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) объемом 3,3 л при начальном давлении газовой среды от 0,1 до 10 МПа по следующей схеме химического превращения:

MoO₃+Al+Si+SiO₂ Al₂O₃×SiO₂/MoSi ₂

Al₂O₃×SiO ₂ - верхний слиток, MoSi₂ - нижний слиток (целевой продукт).

Температура горения реакционной смеси составляет 2500-3500°С и превышает температуры плавления конечных продуктов, получаемых в процессе синтеза в жидкофазном (литом) виде, что обеспечивает высокую полноту выхода (более 99,5%) и однородность химического состава по всему объему целевого продукта. Кроме того, проведение синтеза в реакторе (замкнутом объеме) исключает разбрызгивание и выброс газообразных продуктов горения в атмосферу, т.е. повышается экологическая чистота по сравнению с аналогом, при этом целевой материал не имеет дефектов и получается в литом виде.

Сущность способа подтверждается примерами.

Пример 1.

Готовят реакционную смесь (шихту) из порошков исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид молибдена (MoO₃) 47,0; оксид кремния (SiO₂) 5,0; алюминий (Al) 20,0; кремний (Si) 28,0. Общая масса шихты 1 кг.

Засыпают ее в реакционную форму из тугоплавкого материала, выполненного из графита. Снаряженную форму помещают в реактор СВС. В реакторе создают избыточное давление азота 0,1 МПа, воспламеняют смесь электрической спиралью для инициирования процесса горения. После завершения синтеза и остывания реакционной формы продукт синтеза извлекают из реактора, отделяют и анализируют аналитическими методами химического анализ, рентгенофазового и локального рентгеноспектрального анализов. Общее время синтеза до извлечения продукта, включая охлаждение, не превышает 1 часа.

Продукт синтеза состоит из двух слитков: внизу целевой продукт - дисилицид молибдена, вверху - твердый раствор оксида кремния в оксиде алюминия. По данным рентгенофазового анализа, целевой продукт соответствует формуле MoSi₂, причем содержание дисилицида молибдена составляет более 99,5%. Содержание примесей - оксидов алюминия, хрома и алюминия менее 0,5%. По данным химического и локального рентгено-спектрального анализов литой дисилицид молибдена имеет высокую однородность по фазовому и химическому составу (Siсв. = 36,9-37,1; содержание MoSi ₂ - более 99,5%).

В примере 2 состав шихты размещен в форму из нержавеющей стали, а с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из смеси порошков оксидов алюминия и кремния, и в реакторе создают избыточное давление аргона 10 МПа. Далее, как в примере 1.

В примере 3 состав шихты размещен в форме из кварцевого стекла с целью исключения контакта целевого продукта с материалом формы между шихтой и стенкой формы помещают функциональный слой из дисилицида молибдена, полученного по примеру 1 или 2, а в реакторе создают избыточное давление смеси воздуха с азотом 5 МПа. Далее, как в примере 1.

Все примеры представлены в таблице с указанием состава шихты, параметров синтеза и состава литого дисилицида молибдена.

Выход целевого материала по отношению к оксиду молибдена VI (MoO₃) составляет 90-95%.

Как видно из таблицы, заявленная совокупность признаков формулы позволяет получать высококачественный однофазный материал - дисилицид молибдена с содержанием MoSi₂ 99,6-99,9%. Содержание связанного кремния в целевом литом материале составляет 36,9-37,1%.

Полученный дисилицид молибдена может быть использован для изготовления высокотемпературных нагревателей, конструкционной керамики и для нанесения защитных покрытий.

Таблица
№ примера	Состав шихты, мас.%	Pгаза, МПа	Содержание MoSi2 в продуктах горения, мас.%
MoO3	Al	Si	SiO2
1	47,0	20,0	28,0	5,0	0,1	99,6
2	37,0	8,0	34,0	35,0	10	99,9
3	58,0	32,0	22,0	0	5	99,7