Способ получения изделия из композиционного материала на основе карбида кремния и железа

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ И ЖЕЛЕЗА(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Ковалевский Виктор Николаевич Витязь Петр Александрович Фомихина Ирина Викторовна Жук Андрей Евгеньевич Григорьев Сергей Владимирович Ковалевская Анна Викторовна(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(57) Способ получения изделия из композиционного материала на основе карбида кремния и железа, при котором на частицы порошка железа наносят слой из смеси алюминия и никеля, готовят шихту путем смешения полученного порошка железа и дисперсного порошка карбида кремния, активируют поверхность частиц порошков обработкой в плазме тлеющего разряда, наносят нанопокрытие из смеси кремния и углерода путем магнетронного распыления охлаждаемого композиционного катода, формуют из полученной шихты заготовку и подвергают ее реакционному спеканию в форме из материала с низким коэффициентом линейного термического расширения. Изобретение относится к изготовлению изделий из композиционного материала, полученного на основе карбида кремния с использованием в качестве наполнителя порошка железа, для работы в агрессивных средах при повышенных температурах. Известен способ получения композиционного карбидосодержащего изделия 1, который заключается в том. что из порошка карбидообразующего металла формуют пористую заготовку, которую затем подвергают термообработке в среде газообразного углеводорода при температуре, превышающей температуру их термического разложения, пропитывают расплавом одного из металлов из группы , , , , , , , . Формируется структура из двухфазной системы, образованной непрерывным каркасом из карбида тугоплавкого металла, в порах которою расположен один из металлов или сплавов , , , , , .имеет применения за счет высоких физико-химических свойств, работоспособен при температуре выше температуры плавления металлической фазы. К недостаткам способа относятся высокие температуры термообработки, невозможность получения прочного соединения каркаса из карбида металла в пористом изделии,12847 1 2010.02.28 при пропитке расплавом требуется хорошая смачиваемость карбида расплавом металла,присутствуют недостатки литого металла усадка и низкие свойства полученной литьем фазы. Технология изготовления изделия из композиционного материала сложная. Прототипом заявляемого способа является способ получения абразивного изделия 2,при котором активируют поверхность частиц абразивных порошков обработкой в плазме тлеющего разряда, наносят на них нанопокрытие из смеси кремния и углерода путем магнетронного распыления охлаждаемого композиционного катода, приготавливают шихту смешиванием покрытых порошков, формуют заготовку из шихты с использованием технологических добавок и термообрабатывают ее в вакууме путем реакционного спекания,что позволяет получить абразивное изделие. К недостаткам способа относятся высокая температура образования карбида кремния при жидкофазном реакционном спекании (1550 С). что неприемлемо при использовании в качестве наполнителя матрицы железных порошков. Задачей изобретения является снижение температуры спекания и обеспечение стабильности структуры и свойств материала при повышенных температурах, что позволит упростить технологию получения изделий из композиционных материалов, снизить энерго- и ресурсозатраты, обеспечить ресурс работы изделия. Поставленная задача решается так, что в способе получения изделия из композиционного материала на основе карбида кремния и железа, при котором на частицы порошка железа наносят слой из смеси алюминия и никеля, готовят шихту путем смешения полученного порошка железа и дисперсного порошка карбида кремния, активируют поверхность частиц порошков обработкой в плазме тлеющего разряда, наносят нанопокрытие из смеси кремния и углерода путем магнетронного распыления охлаждаемого композиционного катода, формуют из полученной шихты заготовку и подвергают ее реакционному спеканию в форме из материала с низким коэффициентом линейного термического расширения. Авторами установлено, что изготовление изделий из композиционных материалов,представляющих собой абразивные и железные порошки с покрытием кремнием и углеродом возможно за счет реакционного спекания в покрытии и уплотнение их в процессе температурного расширения частиц железного порошка при нагреве. В предлагаемом способе на частицы железных порошков в процессе перемешивания в смешивающем устройстве предварительно наносят слой из смеси атомов никеля и алюминия за счет распыления охлаждаемого композиционного катода (никель - алюминий) в вакуумной магнетронной распылительной системе (МРС). Затем в перемешивающее устройство засыпают абразивные порошки (дисперсный порошок ). Заменяют катод на композиционный катода из графита и кремния и, перемешивая порошки, наносят слой покрытия из смеси атомов кремния и углерода. Приготовленную шихту из смешанных покрытых порошков размещают в форме из материала с низким КЛТР (кварцевое стекло или керамика) уплотняют и проводят нагрев до 850 С. При нагреве до 800 С происходит реакция взаимодействия в термореактивной смеси с образованием интерметаллидного соединения алюминида никеля и выделением дополнительного тепла (реакция экзотермическая). В слое смеси кремния и углерода протекает твердофазное реакционное спекание (дилатометрические испытания показали, что образованиюпроисходит при температуре 650800 С). Одновременно протекает процесс уплотнения порошков за счет термического расширения порошков железа. Высокий коэффициент упаковки порошков за счет размещения порошков мелких фракцийв зазорах между крупными железа позволяют уплотнять шихту при низких давлении и температуре. Заявляемое решение обеспечивает создание изделий из композиционного материала, в котором частицы железа имеют слоистое покрытие из алюминида никеля и наружный слой из карбида кремния. Покрытие железных порошков и дисперсных частицобразует карбидокремниевый каркас. Примеры реализации. 2 12847 1 2010.02.28 Пример 1. В вакууме магнетронным распылением охлаждаемого композиционного катода из никеля и алюминия наносится смесь никеля и алюминия толщиной 20-40 нм на порошок железа марки ПЖРВ фракции 63/40 мкм массой 30 г. с перемешиванием порошка в устройстве, вращающимся со скоростью 30 об/мин и расположенном на расстоянии от катода 150 мм. Затем в перемешивающее устройства засыпают порошок карбида кремния размерами частиц 0,03 мкм (фирмы ) массой 15 г. и. перемешивая его с железным порошком, наносят покрытие из смеси кремния и углерода толщиной 260 нм распылением катода кремний графит. Предварительно поверхности порошков активировали обработкой плазмой тлеющего разряда (плазмирующий газ - аргон) в режимах 1250 В,0,05 А,время 300 с. Покрытие никелем и алюминием осуществляют в режимах 450 В 1,5 А, давление 0,5 Па время напыления 1200 с, покрытие из атомов кремния и углерода на железные порошки и порошкипроводили в режимах 650 В 2,5 А,давление 0,5 Па, время напыления 2,5 часа. Полученную из покрытых порошков шихту засыпали в кварцевую трубку диаметром 10 мм и запирали пуансонами под давлением 10 МПа и нагревали до температуры 850 С, время выдержки 1 ч. Обработку проводили в вакууме (давление 510-5 мм рт. ст.). Изделие состояло из частиц порошка ПЖРВ. по границам которых располагался карбид кремния в виде наноструктурного каркаса с подложкой из алюминида никеля и дисперсными частицами . Пример 2. Приготавливают шихту аналогично примеру 1. только в состав шихты вместо фракции 63/40 вводили порошок ПЖРВ фракции 7/10 мкм, а в слоистом покрытии слой из смеси никеля и алюминия наносили толщиной 10 нм. Полученные образцы подвергали испытаниям на сжатие и оценивали стабильность структуры и свойств после высокотемпературного нагрева. Результаты испытаний представлены в таблице. Наименование образца Как видно из результатов экспериментальных исследований, полученные материалы обладают хорошей прочностью на сжатие. Исходные порошки ПЖРВ после прессования и спекания при 1100 С имели прочность на сжатие 56 МПа. Заявляемый способ получения КМ может найти широкое применение при изготовлении конструкционных деталей из железных порошков. Источники информации 1. Патент РФ 2173307, МПК 04 35/56 // Бюл.24.- 2001. 2. Заявка РБ а 20070659, МПК 04 35/56// Бюл.2.- 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3