шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах

Классы МПК:C04B35/565 на основе карбида кремния
C04B35/111 тонкая керамика
C04B35/443 магнийалюминатная шпинель
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-03-23
публикация патента:

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока. Технический результат заключается в возможности использования указанного керамического материала при температуре Т=1800°С при комплексном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительных сред. Это достигается тем, что композиционный керамический материал для высокотемпературного применения в окислительных средах получают из шихты, содержащей SiC, Y2O3, Al 2O3 и/или Al2O3·MgO, при следующем соотношении компонентов, (% мас.): SiC 76-80, Y 2O3 4-5, Al2O3 и/или Al 2O3·MgO - остальное. Получаемый керамический материал имеет следующие характеристики: плотность 99% от теоретической, прочность при изгибе 400±25 МПа, прочность при сжатии 1200±40 МПа, твердость по Виккерсу 25-27 ГПа, K1c - 8,5-10,0 МПа·м1/2, окислительная стойкость шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 0,015 мг/см2сек, рабочая температура 1800°С. 5 пр., 1 табл.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к составу шихты для получения конструкционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующихся высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного (300 м/с) окислительного потока.

Известен керамический материал (RU 2402507, Кл. С04В 35/565, 27.10.2010), содержащий (мас.%): 0,7-1,4, MgO 4,1-8,2 Y2O3, 5,2-10,4 Al2O3, остальное SiC.

Известен так же керамический материал (RU 2406196, кл. Н01Т 21/02, 10.12.2010), содержащий карбид кремния 50-75 (мас.%) и 25-50 (мас.%) Y 2O3+Al2O3, способствующих при обжиге изделий образованию иттрий-алюминиевого граната. обеспечивающего спекание материала до высокой плотности за счет образования жидкой фазы.

Указанные материалы имеют высокий уровень свойств, но могут быть применимы как конструкционный материал при сравнительно низких температурах.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (взят за прототип) является керамический материал (US 5656218, С04В 35/64, от 12.08.1997), шихта для изготовления которого состоит (% мас.): карбид кремния 10-90, оксид алюминия 3-15, оксид иттрия 2-10. При обжиге изделий оксидные компоненты практически полностью взаимодействуют с образованием иттрий-алюминиевого граната, способствующего спеканию до высокой плотности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является получение высокотемпературного конструкционного материала с высокой окислительной, коррозионной и термической стойкостью в условиях воздействия высокоскоростного окислительного газового потока.

Указанные известные керамические материалы на основе карбида кремния не могут быть использованы в столь же жестких условиях службы в связи с большим содержанием в их фазовом составе компонентов со сравнительно низкой температурой плавления (1930°С).

Технический результат изобретения заключается в разработке состава шихты для конструкционного керамического материала для высокотемпературного применения при температурах 1800°С и выше при комплексном длительном воздействии механических и тепловых нагрузок в условиях окислительной среды.

Это достигается тем, что шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, Y2O3, Al2O3 и/или MgO·Al2O3, содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):

SiC 76-80
Y2O3 4-5
Al2O3 и/или MgO·Al2O3 16-19

Высокая стойкость к окислению и эрозионному воздействию высокотемпературному (до 2000°С) газовому потоку обеспечивается незначительным содержанием иттрий-алюминиевого граната (состав 1), а в случае содержания Y2O 3 и шпинели в материале присутствуют высокотемпературные фазы (Тпл.шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 2100°С), что и обуславливает их высокую стойкость к разным факторам воздействия.

Исследования физико-технических характеристик проводили на образцах размером 6×6×50 мм и пластинах размером 63×60×8 мм.

Разработанные конструкционные материалы в пределах предлагаемых составов шихты имеют следующие свойства: плотность - 97-99%, прочность при изгибе 340-400 МПа, прочность при сжатии 1000-1200 МПа, твердость 23-27 ГПа, критический коэффициент интенсивности напряжений К1с 8-10 МПа·м1/2 и высокую стойкость к окислению (см. таблицу).

Пример 1.

Керамические порошки в соотношении 0,2% оксида иттрия, 34,8% оксида алюминия, 65% (% масс.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 1-5 мкм. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (%мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)

Пример 2.

Совместным измельчением в планетарной мельнице до дисперсности 0,1-5 мкм в среде безводного этилового спирта изготавливают порошковую шихту, состоящую из 19% оксида алюминия, 76% карбида кремния, 5% (% мас.) оксида иттрия. Сушку проводят на воздухе при температуре 70-80°С.

Приготавливают формовочную массу, содержащую 5% (% мас.) технологической связки из поливинилового спирта и 95% (% мас.) керамического порошка.

Образцы изготавливают прессованием при давлении 300 МПа. Сушку проводят на воздухе при температуре 150-200°С. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов. (Свойства в таблице)

Пример 3.

Керамические порошки в соотношении 4% оксида иттрия, 16% алюмомагнезиальной шпинели, 80% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0.05-5 мкм.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 300 МПа. Спекание проводят при температуре 1800°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Пример 4.

Порошок, состоящий из 17,5% алюмомагнезиальной шпинели, 4,5% оксида иттрия, 78% (% мас.) карбида кремния, измельчают в планетарной мельнице в среде безводного спирта до дисперсности 0,4-3 мкм. Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1850°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Пример 5.

Керамические порошки в соотношении 3% оксида иттрия, 27% алюмомагнезиальной шпинели, 70% (% мас.) карбида кремния измельчают в среде ацетона на планетарной мельнице до дисперсности 0,1-4 мкм.

Измельченную шихту гранулируют с добавлением 5% (% мас.) поливинилового спирта и формуют образцы прессованием при давлении 250 МПа. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде аргона при давлении 1,2 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 2 часов.

Компонентные составы и свойства композиционною керамического материала.

Таблица
№ п/пСостав, % мас. Плотность % от теор.Прочность при изгибе, МПаПрочность при сжатии, МПа Твердость по Виккерсу, ГПаК1c, МПа·м 1/2шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 m*мг/см2с
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 34,8%шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 Al2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
1 65% SiC90210 63017 4,30,08
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 0,2% Y2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 19% Al2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
2 76% SiC97340 100024 80,019
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 5% Y2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 16%шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 Al2O3·MgO шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
3 80% SiC98380 110023 10,00,015
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 4% Y2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 17,5%шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 Al2O3·MgO шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
4 78% SiC99400 120027 9,30,017
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 4,5% Y2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 27%шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
5 Al2O3·MgO98 300800 189,20,012
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 70% SiCшихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 3% Y2O3 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963 шихта керамического материала для высокотемпературного применения   в окислительных средах, патент № 2498963
6 Прототип95200 60015 -0,2
*Привес массы после выдержки на воздухе при 1650°С за 5 часов.

Изделия из предлагаемого материала могут быть использованы для изготовления теплонапряженных деталей, работающих при температурах до 2000 К в условиях, которые требуют высокой прочности, твердости и окислительной стойкости, а также в условиях термоудара, например чехлов для термопар непрерывного контроля температуры расплавов металлов. В металлообрабатывающей промышленности - для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности - клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов, наконечники мундштуков для сварки, сопловые насадки для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Шихта керамического материала для высокотемпературного применения в окислительных средах для получения конструкционного керамического материала, состоящая из SiC, Al2O3 и/или MgO·Al2O3 и Y2O3, отличающаяся тем, что содержит компоненты в следующем соотношении (% мас.):

SiC 76-80
Y2O3 4-5
Al2O3 и/или MgO·Al2O3 16-19


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2498963

patent-2498963.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C04B35/565 на основе карбида кремния

Патенты РФ в классе C04B35/565:
композиционный керамический материал в системе sic-al2o3 для высокотемпературного применения в окислительных средах -  патент 2498957 (20.11.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2494962 (10.10.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2494043 (27.09.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2494042 (27.09.2013)
высокопрочная нанопленка или нанонить и способ их получения (варианты) -  патент 2492139 (10.09.2013)
способ изготовления образцов для экспресс-оценки качества графитированного наполнителя при силицировании изделий на его основе -  патент 2475462 (20.02.2013)
способ нанесения покрытия на покрытую карбидом кремния подложку -  патент 2466116 (10.11.2012)
способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана -  патент 2460706 (10.09.2012)
растворный способ получения карбидокремниевой шихты с оксидным активатором спекания и способ получения керамики на ее основе -  патент 2455262 (10.07.2012)
способ получения огнеупорного материала на основе карбида кремния и кремния -  патент 2439032 (10.01.2012)

Класс C04B35/111 тонкая керамика

Класс C04B35/443 магнийалюминатная шпинель

Патенты РФ в классе C04B35/443:
шихта для оптической керамики на основе шпинели mgal2o4, способ ее получения и способ получения оптической нанокерамики на основе шпинели mgal2o4 -  патент 2525096 (10.08.2014)
способ получения поликристаллического оптического материала на основе оксидов -  патент 2522489 (20.07.2014)
огнеупор для элемента насадки регенератора стеклоплавильной печи -  патент 2494996 (10.10.2013)
способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели -  патент 2486160 (27.06.2013)
плавленый материал на основе магнезиальной шпинели и способ его получения -  патент 2417201 (27.04.2011)
способ получения огнеупорного материала -  патент 2379261 (20.01.2010)
состав для получения огнеупорного материала -  патент 2379260 (20.01.2010)
комплексный оксид прокаленной шпинели и способ его получения -  патент 2293716 (20.02.2007)
шпинельный огнеупор -  патент 2260573 (20.09.2005)
способ получения высокопрочного углеродсодержащего огнеупора -  патент 2223247 (10.02.2004)


Наверх