Высокотемпературный нагревательный элемент для работы в окислительной среде и способ его изготовления

Высокотемпературный нагревательный элемент для работы в окислительной среде и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1 Высокотемпературный нагревательный элемент для работы в окислительной среде, содержащий резистор, и защитную оболочку, отличающийся тем, что с целью повьвяения рабочей температуры до 22002500°С , долговечности и термостойкости его, защитная оболочка выполнена не менее чем из трех чередукяцихся слоев тугоплавкого оксида и тугоплавкого металла, причем толщина слоя металла составляет 0,2-2 от толщины слоя оксида, а резистор выполнен из того же металла, что и металлические g слои защитной оболочки. (Л 00 СП СА

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЩЩЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ.И ОТКРЫТИЙ.(21) 3315019/24-07 (22) 18.06.81 (46) 07.05.83. Бюл. В 17 (72) С.М. Кац, В.Н. Богин, Н.Г. Чубенко, М.С. Сергеев, И.A. Толкачева, А.И. Манохин, Г.Н. Мехед, Т.С. Шиш.хаиов, Л.И. Корнеев и В.В. Родионов ,(53) 621.365.41(088,8).

,(56) 1. Рутман Д.С. и др. Огнеупоры, 1971с 9 1г10 с. 10.

2. Нечипоренко Н.П. и др. Физика и химия обработки материалов, 1979, 9 4, с 12. (54} ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РАБОТЫ В ОКИСЛИ3(51) .Н -05 В 3/18.; Н 05 В 3 28

ТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВления (57} 1 .Высокотемпературный нагревательный элемент для работы в окислительной среде, содержащий резистор, и защитную оболочку,.о т л и ч а юшийся тем, что с целью повыаения рабочей температуры до 22002500оС,:долговечности и термостойкости его, защитная оболочка выполнена не менее .чем из трех чередующихся слоев тугоплавкого оксида и тугоплавкого металла, причем .толщина слоя ме- талла составляет 0,2-2 от толщины, слоя оксида, а резистор выполнен из того же металла, что и металлические слои защитной оболочки..

1016853

2..Элемент по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, 1то резистор выполнен по меньшей мере из двух металлических слоев, концы которых закорочены между собой, чередующихся с оксидными слоями из материала оксидных слоев защитной оболочки.

3. Способ изготовления высокотем-, пературного нагревательного элемента для работы в окислительной среде, при котором на металлический резис,тор наносят защитную оболочку в виде оксидных и металлических слоев, уплотняют их и обжигают, о т л и ч аю щ и и " я тем, что оксидные и металлические слои отливают раздельно из смеси высокодисперсных порошков оксида или металла с одинаковым со-. держанием одного и того же пленкообразующего связующего, оксидный слой наносят толщиной 20-200 мкм, набирают из них пакеты, уплотняют прокатИзобретение относится к электротермии и может быть использовано в электронагревательных тепловых агрегатах преимущественно с кислородсодержащими газовыми средами.

Известны .нагреватели с высоким температурным пределом для работы, в окислительных условиях, например, из двуокиси циркония, которые рабо:1 вают до 2000 С в воздушной среде 1 .

Недостатком данных устройств является низкая их электропроводность при температурах до 1200-1500 С, поэтому эти нагреватели предварительно нагревают с помощью другого дополнительного устройства до темпера- 15 туры, при которой керамика нагревательного элемента .становится доста-, точно электропроводной, и затем пропускают переменный электрический ток через резистивный элемент для полу- 2О чения требуемых температур.

Наиболее близким к предлагаемому является высокотемпературный элемент для работы s окислительной среде, содержащий резистор и замкнутую оболоч.-25 ку f23.

Это нагреватель комбинированного типа из дисилицидамолибдена, температурный предел и реСурс работы ко- Щ торых ограничен тем, что в процессе высокотемпературной выдержки дисимицида молибдена переходит в низший силицил с образованием на поверхности защитной пленки двуокиси крем« З5 ния стойкость этой пленки не превышает, Как правило, 1650-1700 С. кой или прессованием до толщины 0,52 мм при давлении 2-50 МПа при .температуре 50-150 С в течение 1-10 мин, а обжиг производят после нанесения оболочки на резистор при температуре

1800-2900 С в.неокислительной атмосфере в течение 1-2 ч.

4. Способ по и. 3, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве пленкообразующего связующего используют раствор полимера в органическом растворителе, преимущественно бензино ацетоновый раствор каучука.

5. Способ по пп. 3 и 4, о т л и— ч а ю шийся тем, что при выполнении резистора по меньшей мере из двух слоев, его изготавливают идентично защитной оболочке до операции совместного обжига, при этом перед прессованием производят закорачивание металлических слоев резистора.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления высокотемпературного нагревательного элемента для работы в окислительной среде, при котором на металлический резистор наносят защитную оболочку в виде оксидных и металлических слоев, уплотияют их и обжигают 13 ).

Недостатком известного способа являются невозможность полуумения тонких слоев (50-100 мкм и менее)1 ,при использовании воднЫх паст, огра,ниченная плотность слоев, слабая связь между слоями, сложность техно логического процесса, а также трудность изготовления этим способом компоэита из большого числа слоев.

Цель изобретения - повышение рабочей температуры до 2200-2500ОС, долговечности и термостойкости нагревателя.

Поставленная цель достигается тем, что высокотемпературный нагревательный элемент для работы в окис-. лительной среде,. содержащий резистор и защитную оболочку, выполненную не менее чем из трех .чередующихся слоев тугоплавкого окисла и тугоплавкого металла, причем толщина слоя металла составляет 0,2-2 от толщины ,слоя оксида, а резистор выполнен из того же металла, что и металлические слои защитной. оболочки.

Резистор в нем может быть выполнен по меньшей мере из двух .металлических слоев, концы которых закорочены между собой, чередующихся с ок10.1-6853 сидными слоями из материала оксидныхслоев защитной оболочки;

Способ изготовления этого нагревателя заключается в том,:что на металлический резистор наносят защитную оболочку s виде оксидных и метал- 5 лических слоев, уплотняют их и обжигают, причем оксидные и металлические слои отливают раздельно из смеси высокодисперсных порошков оксида или металла с одинаковым содержанием од.ного и того же пленкообразующего связующего, при этом оксндный слой наносят толщиной 20-200 мкм, набирают из них пакеты, уплотняют прокат. кой или прессованием до толщины 0,52 мм при давлении 2-.50 ИПа при тем.пература 50-150ОС в течение 1-10 мин, .а обжиг производят после нанесения оболочки на резистор при температуре

1800-2900 С в неокислительной атмосфере в течение 1-2 ч, В качестве плеикообразующего связующего используют раствор полимера в органическом растворителе, преимущественно бензино-ацетоновый раствор каучука.

При выполнении резистора по меньшей мере из двух слоев, era изготавливают идентично защитной оболочки . до операции совместного обжига, при

:этом перед прессованием производят 30 закорачивание металлических слоев резистора.

На чертеже показана схема предлагаемого нагревателя.

Нагреватель состоит из резистора 35

1 защитной оболоки .2, с горячей и холодной стороны, токопроводов 3, внешнего оксидного слоя .4.

Для выполнения. указанных функций защитная оболочка может содержать от 40

2 до 20 слоев тугоплавкого оксида, например KrO>-, толщиной от 20 до

200 мкм, чередующихся со слоями Ио или %. Для обеспечения эффективности и надежности .окисностойкой оболочки ее минимальная толщина, исходя из известных диффузионных характеристик оксидов, должна быть порядка 0,20,3 мм. Поэтому минимальное количест- . во защитных оксидных слоев должно быть не менее 2-3 при использовании 50 пленок толщиной более 100-150 мкм.

Укаэанные внешние -оксидные слои могут входить в оксидно -металлический комйозит либо, как вариант выполнеиия, образовывать отдельное, дополнительное к оксидно-металличес-. .кому композиту, чисто оксидное покрыаие . В этом случае расположенные

1под внешним чисто оксидным покрытием слои оксидно-металлического компози- 60 та обеспечивают. указанные в целях изобретения термостойкость, прочность и сопротивление ползучести, а также усиливают окислительную стойкость нагРевателя, его .повышенную долговечность, защищая резистор .в случае повреждений внешних оксидных слоев.

С нагревающей горячей стороны количество входящих в компоэит оксидных слоев должно быть минимальным, например, не более 2-5 (в зависимости от толщины пленки) и они необходимы только для дополнительного повышения окислительной стойкости.

С внешней холодной стороны, напротив, количество слоев в композите может быть значительно большим— до 10-20, включая 2-5 слоев внешнего чисто оксидного покрытия. При этом общая толщина защитной оболочки не должна превышать 2-3 мм для предотвращения черезмерных термическнх напряжений.

Толщина каждого слоя должна быть в пределах 20-200 мкм. При толщине пленок < 20 .мкм не обеспечивается, как показала практика, их бездефектность в пластицированном, и.особенно в спеченном состоянии. При толщине пленок )200 мкм заметно снижается их прочностные характеристихи.

Например, изгибная прочность пленки из ЕгО толщиной 50 мкм пр . 20 С была в пределах 320-370 NHa, а толщиной 226 мкм — 120-150 ИПа.

Существенной особенностью предлагаемого способа является применение металлических и оксидных пленок, содержащих одинаковое количество одного и того же связующего, а наполнители которых подобраны так, что обеспечивается синхронная усадка оксидных и металлических слоев при обжиге ° Плотно-прочное соединение слоев и уменьшение их толщины до 5-100 мкм достигается посредством прессования многослойных пакетов при давлении

2-50 ИПа и температуре 50-. 150 С в течение 1-10 мин. Интервалы указанных режимов прессования определены следующим. При давлении C2 Ala между пленками могут оставаться воздушные прослойки, при давлении >50 ИПа в пленках возникают дефекты сплошности. Температура -прессования. должна быть не менее 50 С для реализации пластичности полуфабриката, при, t ) 150оС происходит черезмерное.активное .удаление летучих. Продолжительность прессования должна быть не менее 1-2 мин для стабилизации е деформированных пленок, при .продолжительности >10 мин пленки могут терять пластичность.

Важной особенностью предлагаемого способа является применение высокомолекулярного органического связующего на основе поливинилбутираля.

Такое связующее обладает рядом Преимуществ по сравнению, с другими связками, применяемыми в прототийе и других известных способах изготовления многослойных композитов. Сус1016853 пензии на поливинилбутиральной связке могут быть легко отлиты на лавсановой ленте в виде тонкой пленки толщиной от 20 до 200-300 мкм. Пленки легко отделяются от лавсана, в 1 сыром состоянии прочны и эластичны, они обладают как термопластичными, так и термореактивными свойствами, благодаря чему сохраняют форму на различных этапах термообработки.

Следует отметить, что пленкам íà 10 основе поливинилбутиральной связки присущ и ряд недостатков: невысокая пластичность, а также сравнительно большое содержание связующего (до 2535 вес. ) . Этому соответствует и зна-<5 чительная усадка изделия после спекания — до 16-18Ъ, приводяцая в некоторых случаях к появлению трещин, искривлениям и т.п.

При необходимости снижения усадки предлагается использовать в качестве связующего 5В-ный раствор каучука (например, СКН-26 с отвердителем — эпоксидной смолой ЭД-5) в . смеси бензина и ацетона (1:1). Содержание связки и отвердителя (эпоксидная смола ЭД-5,) составляет 5-153 (в перес Мте на сухое вещество) .

Усадка пленок на каучуковом связующем не превышает 6-9В, т.е. вдвое меньше, чем в случае поливинилбутираля.

Спекание заготовки нагревателя производят в интервале температур

1800-2000 С в течение 1-2 ч. Спекание плотных слоев из порошков ЕгО2 35 и др. высокотемпературных окислов (HfO,V2O и др.) работоспособных при темйературе ) 2000 С, может осуцествляться при температуре не ниже 1800-2000 С в течение 2 ч или 40 при 2200ОС вЂ” 1 ч, так как лишь при этих режимах достигается полное спекание и завершается усадка слоев и нагревателя в целом. Верхний предел (2200 С, 2 ч) обесловлен тем, что 45 спекание и усадка практически завершается до этого предела, и при обжиге в вакууме при больших температурах и вреМени может произойти уход оксида от стехиометрии.

Пример 1. Был изготовлен трубчатый негреватель мощностью

250 Вт. Молибденовые слои резистора состоят из пленок толщиной 20 мкм, а оксидные — иэ пленок Kr02 стаб,12% 55

V2O толщиной 45 мкм. Длина нагревателя Р =120 мм, внутренний диаметр

20 мм, наружный 30 мм.. Резистор спечен из 4 слоев оксидной пленки и 5 слоев молибденовой. 1ок через резис- 60 тор при напряжении 1 В равен 250 A плотность тока 4 А/мм2, i

ВНИИХИ Заказ 3400/5

Филиал ППП "Патент",, Изготовленный по данной схеме нагреватель был испытан и удовлетворительно работал в воздушной среде в течение 20 ч при температуре

2150-2250 С.

П р и M е р 2. Был изготовлен плоский многослойный нагреватель мощностью 200 Вт в виде пластины сечением 5х40 мм и длиной 200 мм.

Резистор нагревателя был образован из 5 слоев молибденовой пленки, отлитой на каучуковой связке толциной 120 мкм, переложенных пленками

ZrO2, отлитыми -толщиной 100-120 мкм на такай же связке. Окислостойкая облицовка резистора была образована пакетами таких же чередуюцихся пле-, нок на основе общей толщиной пакета

2 мм. Спекание нагревателя проводилось при 2200ОC с выдержкой 1 ч.

Пример 3. Был изготовлен трубчатый нагреватель, аналогичный примеру 1. Для его изготовления были отлиты пленки толщиной 120 мкм из суспензий порошков ЕЕО и No с каучуковым связующим(5Ъ-ный раствор каучука СКН-26 в смеси бензина и ацетона). Содержание связки составило

12% (в пересчете на сухое вещество) от веса порошка ЕгО и 7% также от веса порошка Мо. Из пленки были собраны пакеты, содержащие чередующиеся слои пленок на основе Zr02è No (по

10 слоев). Каждый пакет бйл срессоваи под давлением 50 МПа при 130ОС в течение 2 мин. Из полученных сэндвичей были сформированы 12 полуцилиндров, из которых собрали трубчатый резистор и защитные оксидные слои. Спекание нагревателя проводилось при 2000 С в течение 2 ч.

Предлагаемая конструкция высокотемпературного нагревательного элемента и способ его.изготовления обеспечивают по сравнению с известными конструкциями и способами повышение рабочей температуры в окислительной среде до 2200-2500ОС благодаря возможности использования оксида циркония до его предельной температуры, так как нагрузки переложены на металлическую фазу; повышение долговечности, благодаря использованию в качестве окисностойкого защитного покрытия композита с высокой адгезией и химической совместимостью оксидных и армирующих резистивных металлических слоев; повышенйе термостойкости (разрушающего температурного перепада, количество теплосмен, скорости изменения температуры), а также ударной вязкости, прочности и сопротивления ползучести благодаря слоистой композиционной структуре металло-оксидной защитной облицовки.

1 Тйраж 845 Подписное

J г,ужгород,ул.Проектная,4