Способ получения высокопористого ячеистого материала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Микуцкий Виталий Анатольевич Сморыго Олег Львович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56)8731 1, 2006.1754205 1, 1992.2285575 2, 2006.56113351 , 1981. ШЕЛЕГ В.К. и др. 6-я Международная научно-техническая конференция. Новые материалы и технологии порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка. - Минск, 2004. - . 60-62. РОМАШКО А.Н. Разработка процесса получения высокопористых ячеистых материалов на основе никеля с повышенной прочностью, жаростойкостью и удельной поверхностью для носителей катализаторов Автореферат диссертации. - Минск, 2003. - . 10-15.(57) Способ получения жаростойкого высокопористого ячеистого материала, включающий создание жаростойкого защитного покрытия на структурных элементах никелевого ячеистого материала, отличающийся тем, что покрытие создают путем пропитки ячеистого материала суспензией, содержащей порошок оксида титана, порошок алюминия, порошок оксида бора и в качестве связующего нитролак или цапонлак при следующем соотношении компонентов, мас.порошок оксида титана 16,5-17,0 порошок алюминия 18,5-19,0 порошок оксида бора 14,5-15,0 нитролак или цапонлак остальное,последующей сушки и инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нагревом пропитанного материала до 800-900 С. Изобретение относится к способам получения высокопористых ячеистых материалов(ВПЯМ) с повышенной жаростойкостью и может быть использовано при производстве носителей катализаторов, фильтров, излучающих элементов радиационных горелок, элементов легких конструкций, работающих при высоких температурах в окислительных средах. 12374 1 2009.10.30 Известен способ получения ВПЯМ дублированием структуры пенополиуретана(ППУ) методом электролитического осаждения металлов 1. Способ включает придание электропроводности пористой ППУ-подложке, нанесение на нее электролитическим методом металлического покрытия, термообработку для выжигания ППУ-подложки и спекание в защитной атмосфере. Таким способом получают ВПЯМ на основе меди или никеля. Полученные материалы обладают уникальным сочетанием структурных, физикомеханических и гидродинамических свойств (предельно высокая открытая пористость 9096 , широкий диапазон варьирования размера пор 0,2-5 мм, высокий коэффициент проницаемости - до 10-8 м 2, прочность при сжатии 0,5-2 МПа, развитая внутренняя поверхность), что позволяет использовать эти материалы в процессах фильтрации и катализа. Однако полученные таким образом ВПЯМ обладают сравнительно низкой жаростойкостью, что ограничивает их применение температурами до 500 С. Наиболее близкое техническое решение к предлагаемому описано в работе 2. Методом электролитического дублирования структуры ППУ изготавливается ВПЯМ на основе никеля, а затем проводится его диффузионное алитирование в порошковой смеси, содержащей порошки алюминия, хлористого аммония (4) и оксида алюминия (-2 О 3),при температуре 600-800 С в течение 3-5 часов и последующем окислении на воздухе при температуре 1150-1200 С в течение 0,5-1 часа. В результате процесса алитирования поверхностные слои перемычек ВПЯМ насыщаются алюминием с образованием жаростойких алюминидов никеля (, 3), а последующая обработка при 1150-1200 С на воздухе формирует на поверхности перемычек сплошную пленку из- 2 О 3. Созданное таким образом защитное покрытие повышает в 50-60 раз жаростойкость ВПЯМ. Однако алитирование в порошковых смесях является энергозатратной, экологически грязной и токсичной технологией, требующей проведения мероприятий по утилизации отработавших реакционных смесей. Задачей изобретения является получение ВПЯМ на основе никеля с повышенной жаростойкостью простым, малозатратным и экологически безопасным способом. Поставленная задача реализуется следующим образом. В известном способе изготовления ВПЯМ, включающем дублирование структуры ППУ электролитическим осаждением никеля, термообработку для выжигания ППУподложки и спекания, дополнительно на структурных элементах никелевого ВПЯМ создается жаростойкое защитное покрытие путем пропитки пористого материала суспензией следующего состава, мас.порошок оксида титана 16,5-17,0 порошок алюминия 18,5-19,0 порошок оксида бора 14,5-15,0 связующее - нитролак или цапонлак остальное,с последующей сушкой и инициированием реакции СВС путем нагрева пропитанного материала до 800-900 С. Сущность изобретения состоит в том, что на структурных элементах никелевого ВПЯМ, изготовленного известным методом электролитического дублирования структуры ППУ, создается жаростойкое защитное покрытие из тугоплавких соединений (оксида алюминия и борида титана). Для этого никелевый ВПЯМ пропитывают суспензией, в состав которой входят порошки оксида титана, оксида бора и алюминия. После предварительной сушки при нагреве пропитанного материала до 800-900 С в образовавшемся слое инициируется реакция СВС, которая описывается следующим уравнением 3 10 5223223 . 3 3 Реакции характеризуются экзотермическим эффектом порядка 1,95 МДж/кг и адиабатическим подъемом температуры до 2326 К, что способствует образованию на структурных элементах ВПЯМ плотного, прочно сцепленного покрытия. При стехиометрическом 2 12374 1 2009.10.30 соотношении исходных компонентов покрытие состоит из тугоплавких борида титана 29 мас.и оксида алюминия 71 мас. . Стехиометрическое соотношение обеспечивается при содержании исходных порошков, мас.1) 2 - 33,3723 - 29,07 А 37,56 . Значительное отклонение состава от стехиометрии приводит к снижению экзотермического эффекта и росту доли непрореагировавших веществ, что ухудшает адгезионные и защитные свойства покрытий. В качестве жидкой фазы в суспензии предлагается использовать связующие на основе органических растворителей (например, нитролак или цапонлак). Применение водных суспензий для данной композиции невозможно ввиду перехода оксида бора в борную кислоту, сопровождающегося вспениванием суспензии. Предпочтительное содержание связующего составляет 43-58 мас. , это обеспечивает нанесение равномерного по объему ВПЯМ и неразрывного покрытия. Для обеспечения седиментационной устойчивости предпочтительный размер частиц порошков составляет для порошка алюминия - менее 15 мкм, для порошков оксидов - менее 40 мкм. После нанесения суспензии заготовку сушат и нагревают до 800-900 С для инициации СВС в нанесенном покрытии. В результате на структурных элементах ВПЯМ формируется композиционное покрытие из жаростойких керамических материалов, которое защищает исходный никелевый каркас от окисления при температурах до 1000 С. Высокая температура, кратковременно развивающаяся в процессе реакций, увеличивает адгезионную прочность покрытия за счет его припекания к никелевому каркасу. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Заготовку из никелевого ВПЯМ (0,25-0,40 г/см 3) окунают в пропиточную ванну с суспензией, содержащей в качестве связующего нитролак или цапонлак (58-43 мас. ) и в качестве дисперсной фазы смесь порошков 1) диоксид титана (16,5-17 ), алюминий (18,5-19 ) и оксид бора (14,515 ). После извлечения заготовок из пропиточной ванны излишкам суспензии дают стечь, затем заготовки продувают сжатым воздухом. Заготовки сушат в сушильном шкафу при 80-100 С в течение 1 часа и затем нагревают в печи в воздушной атмосфере со скоростью 5-10 С/мин до 800-900 С. В процессе нагрева выжигается органическая составляющая связующего, а в покрытии инициируется СВС реакция с образованием 1) диборида титана и оксида алюминия. Охлаждение заготовки до комнатной температуры производится вместе с печью. Плотность полученного композиционного материала составляет 0,50-0,60 г/см 3. После охлаждения на изделия можно наносить каталитически активные компоненты. Пример 1 Готовят суспензию в следующих пропорциях к 100 г нитролака добавляют 100 г порошковой смеси, содержащей 33,3 г диоксида титана с размером частиц 40 мкм 37,6 г порошка алюминия (ч 15 мкм) и 29 г порошка оксида бора, просеянного через сито 40 мкм. Суспензия тщательно перемешивается в баночном смесителе в течение 1 часа, после этого выливается в пропиточную ванну. Образцы из пеноникеля (0,25-0,40 г/см 3) окунаются в ванну на 0,5-1 минуту, после извлечения необходимо дать стечь излишкам суспензии. С целью удаления пленок, закрывающих ячейки материала, образцы продуваются сжатым воздухом. Сушка образцов производится в сушильном шкафу до постоянной массы. После сушки образцы помещаются в печь и нагреваются до 850 С, по достижению указанной температуры производится охлаждение вместе с печью. Пример 2 Готовят суспензию в следующих пропорциях к 100 г цапонлака добавляют 100 г порошковой смеси, содержащей 33,3 г диоксида титана с размером частиц 40 мкм 37,6 г порошка алюминия (ч ср 15 мкм) и 29 г порошка оксида бора, просеянного через сито 40 мкм. Суспензия тщательно перемешивается в баночном смесителе в течение 1 часа, после этого выливается в пропиточную ванну. Образцы из пеноникеля (0,25-0,40 г/см 3) окунаются в ванну на 0,5-1 минуту, после извлечения необходимо дать стечь излишкам 3 12374 1 2009.10.30 суспензии. С целью удаления пленок, закрывающих ячейки материала, образцы продуваются сжатым воздухом. Сушка образцов производится в сушильном шкафу до постоянной массы. После сушки образцы помещаются в печь и нагреваются до 850 С, по достижению указанной температуры производится охлаждение вместе с печью. Полученные указанным способом образцы были подвергнуты испытанию на жаростойкость, результаты испытаний представлены в таблице. Образец ВПЯМс покрытием 2-23 на нитролакес покрытием ТВ 2-А 12 О 3 на цапонлаке Способ изготовления прототип прототип Параболическая константа окисления ВПЯМ, изготовленных по предложенному способу, вне зависимости от вида связующего была ниже, что свидетельствует об их большей жаростойкости по сравнению с ВПЯМ, изготовленными по известному способу. Источники информации 1. А.с.1640208, МПК С 25 1/08, 1991. 2. Патент 8731 от 08.09.2006 (прототип). 3. Патент 5340014 от 23.08.1994. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4