способ получения сложной композиционной системы

Формула изобретения

Способ получения сложной композиционной системы путем смешения порошка титана с оксидом алюминия и последующей термической обработки, отличающийся тем, что термическую обработку проводят сначала при температуре 950-1100С и выдержке 2-3 ч, а затем при температуре 1150-1200С 1-2 ч до образования соединения TiAl₂O₅.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения поликристаллических керамических материалов на основе оксидов и может быть использовано в металлургии, химии, машиностроении, энергетике и т.п.

Керамика на основе диоксида титана и оксида алюминия привлекает внимание исследователей благодаря ряду уникальных свойств, таких как высокая температура плавления, очень высокая термостойкость, сравнительно низкий коэффициент термического расширения при достаточно высоких температурах и др. Однако синтез такого типа керамики со структурой, приближенной к природной шпинели, представляет значительную сложность.

В основе всех существующих технологий получения сложных композиций лежит механическое смешивание порошковых компонентов и термическое или иное их модифицирование.

Известен способ получения композиционной системы, включающий смешивание порошков в аэрированном состоянии и их последующее плазменное напыление в азотно-водородной плазме. Композиция состоит из 87% Аl₂O₃ и 13% ТiO₂. Присутствие оксида алюминия в системе обеспечивает повышение термических свойств, но придает хрупкость и снижает механические свойства. Введение ТiO₂ делает материал более пластичным и стойким к ударным нагрузкам, т.е. обеспечивает хорошую износостойкость. Твердость составляет 65-70 HRC. Металлографические исследования показали, что, когда порошок попадает в плазменную струю, диоксид титана плавится и обволакивает зерна Al₂O₃. Частицы смеси образуют плотное покрытие с незаметными границами между зернами, причем зерна Al₂O₃ равномерно распределены в матрице TiO₂ [Костиков В.И., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. М.: Металлургия, 1978. С.110-118].

Недостатком данной системы является низкая термостойкость.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ получения сложной композиционной системы путем смешивания порошка титана с оксидом алюминия и последующим реакционным спеканием при температуре 1500С в вакууме и/или на воздухе (Пат. РФ 2035433, МКИ С 04 В 35/10, 1995), который выбран за прототип.

В данном способе образование материала происходит при высокотемпературном спекании, это приводит к неоднородности структуры получаемой композиционной системы и, как следствие, к ее низкой стойкости при повышенных температурах.

Предлагаемое изобретение обеспечивает получение сложной композиционной системы, содержащей диоксид титана и оксид алюминия, с однородной структурой типа шпинели.

Заявляемый способ получения сложной композиционной системы путем смешения порошка титана с оксидом алюминия и последующей термической обработки отличается тем, что термическую обработку проводят сначала при температуре 950-1100С и выдержке 2-3 ч в регулируемой атмосфере, затем при температуре 1150-1200С/1,0-2,0 ч до полного образования соединения TiAl₂O₅.

Проведение термической обработки в две стадии дает возможность получить однородный материал с требуемой структурой благодаря оптимальному режиму нагрева, препятствующему растрескиванию (конгломерации) зерен и образованию промежуточных соединений, в частности титаната алюминия. Выбранный температурный режим и продолжительность термообработки на первом этапе способствуют равномерной обработке и полному окислению титана. Выход значений температуры и времени выдержки на второй стадии за указанные пределы не дает возможность получить однородный материал со шпинельной структурой.

Способ может быть реализован следующим образом.

Порошок титана, полученный путем титановой губки в аттриторе, с размером частиц менее 45 мкм смешивают в смесителе с оксидом алюминия с размером частиц 1,0 мкм из расчета 87% Аl₂O₃ и 13% TiO₂. Полученную смесь нагревают в регулируемой атмосфере до окисления титана при температуре 1000С и выдержке 2 ч. При этом по всей поверхности на всю глубину частицы титана окисляются, образуя TiO₂, и взаимодействуют с Аl₂O₃. Затем температуру спекания поднимают до 1150С и выдерживают 2 ч до образования TiAl₂O₅.

Анализ микроструктуры показал, что полученный материал обладает структурой шпинели и характеризуется тонкой дисперсностью благодаря высокой степени измельчения исходных компонентов. Материал обладает повышенным пределом прочности и высокой термостабильностью.

Промышленная применимость предложенного способа очевидна и не вызывает сомнений, поскольку для его реализации предлагается использовать стандартное технологическое оборудование порошковой металлургии.