Способ получения материала на основе нитрида кремния

Способ получения материала на основе нитрида кремния

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка наоснове кремния путем его высокотемпературного азотирования врежиме горения при давлении 100-1000 бар, отличающийся тем, что, с целью получения изделий, обладающих повышенной высокотемпе{)атурной прочность , готовят смесь порошков, содержащую , мае. %: Кремний44-54 Нитрид кремния 44-55 Углерод1-3 формуют из нее заготовки, азотирование которых осуществляют при 2300- , 2600 К.

(3O O1l

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИН

ЗЯЮ С 04 В 35/58

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

f10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЖ (21) 3329049/29-33 (22) 10.08,81 (46) 15.02.84. Бюл, В 6 (72) И.П. Боровинская, В,В. Викулин, В. М. Мартыценко, A.Ã. Мержанов, А.С, Мукасьян В.П. Параносенков, А.Г, Ромашин, В.Н. Рудыкина и A.Ñ. Шаталин (53) 666.79В.2(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 518274 кл. С 04 В 35/58, 1976, 2. American. Ceramica Society Bull, 1978, ч. 57,. В 5, р. 525.

3„ Патент США М 3839541, кл. 423-344, опублик. 1976.

4. Мержанов A.Ã. и Боровинс-. кая И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в химии и технологии тугоплавких соединений. Журнал Всесоюзного химического общества, 1979, т. 24, 9 3, с.223. (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА

HA ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ из порошка на основе кремния путем его высокотемпературного аэотирования в режиме горения при давлении 100-1000 бар, отличающийся тем, что, с целью получения иэделий, обладающих повышенной .высокотемпературной прочностью, готовят смесь порошков, содержащую, мас. В:

Кремний 44-54

Нитрид кремния 44 -55

Углерод 1-3 формуют из нее заготовки, азотирование которых -осуществляют при 23002600 К. е

1073229

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению керамических иэделий иэ реакционно-спечЬнного нитрида кремния, которые обладают высокой термопроводностью, термостойкостью и эро- эионной стойкостью. Эти иэделия применяют в качестве конструкционных элементов, работающих в экстремальных тепловых условиях, например, деталей газотурбинных двигателей.

Известен способ получения реакционно-спеченного нитрида кремния путем азотирования прессованной заготовки иэ порошка кремния в кремний-. содержащей засыпке (порошок нитрида 15 бора и кремния) при 40-60 атм и 20002100 К (1) .

Недостатком этого способа является длительность процесса азотирования и применение энергоемкого печно- 2р го оборудования.

Известен способ получения реакционно-спеченного нитрида кремния путем азотирования заготовок иэ тон- . кодисперсного порошка кремния газо-, образным азотом при 1600 К в течение 120 ч (2).

Недостатком указанного способа является длительность процесса азотирования а также применение энерго ЗО емкого, уникального, дорогостоящего ,технологического оборудования, обус- ловленное использованием высоких температур и давления.

Известен также способ получения 35 керамических изделий на основе нитрида кремния, заключающийся в том, что порошок кремния предварительно смешивают с иитридом кремния (550 мас,Ъ) и с кислородсодержащим со- 4р единением (1,5-2,4 мас.Ъ), затем формуют изделие, которое подвергают азотированию газообразным азотом при 1700 К в течение 4-5 ч (3)

Использование кислородсодержаще- . 45 го соединения загрязняет керамическое изделие окислами, которые ухудшают его высокотемпературную прочность

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения нитрида кремния с содержанием кислорода менее 0,5Ъ путем высокотемпературного азотирования в режиме горения (самораспространяющегося синтеза — СВС) порошка кремния при Р до 4000 К и давлении до 1000 бар 4) .

Данный способ позволяет получать порошок нитрида кремния. с незначительным содержанием кислорода, однако для дальнейшего получения плот- 60 ных горячепрессованных изделий в шихту необходимо вводить кислородные спекающие добавки, что обусловливает падение прочности с ростом температуры.

Цель изобретения — получение изделий, обладающих повышенной высокотемпературной прочностью.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения материала на основе нитрида кремния иэ порошка на основе кремния путем его . высокотемпературного азотирования в режиме горения при давлении 1001000 бар, готовят смесь порошков, содержащую, мас. Ъ: кремний 44-54, нитрид кремния 44-55; углерод 1-3, формуют иэ нее заготовки, азотирование которых осуществляют при 23002600 К.

Азотирование в режиме горения (процесс СВС) основано на том, что реакция образования нитрида кремния является экзотермической и протекает со значительным выделением тепла: 5<Й Я+ й2+С Si>Nq<5iC+Q, где Ц - теплота реакции.

Это приводит к тому, что после локального воспламенения смеси фронт горения распространяется по формованному изделию самопроизвольно со скоростью 1 мм/с, температура во фронте горения достигает 2600 К. Таким образом, процесс аэотирования протекает за.2-3 мин.

Увеличение температуры азотнрова. ния свыше 2600 К приводит к увеличению диссоциации нитрида кремния и, следовательно, к уменьшению содержания азота в полученном изделии, что ухудшает его высокотемпературную прочность. Снижение температуры ниже 2100 К не позволяет осуществить

СВС.

Снижение давления ниже 100 бар не обеспечивает необходимую полноту азотирования иэделия. При давлении выше 1000 бар из-за больших теплопотерь не осуществляется СВС.

Введение в исходную смесь углерода связывает свободный кремний, который выплавляется иэ иэделия, так как температура в режиме горения достигает (2600 К) и значительно превышает температуру плавления кремния (1700 К) ..

Введение в исходную смесь углерода менее 1 мас.Ъ приводит к выплавлению свободного кремния из изделия, что ухудшает его физико-механические свойства. A введение углерода в исходную смесь свыше 3 мас.Ъ приводит к сильному газовыделению за счет восстановления углеродом окиси кремния, которая всегда в небольшом количестве присутствует на частицах кремния, и нарушает прочность образца.

Пример. Берут 44 мас.Ъ порошка кремния марки КРО. ГОСТ 216969 с удельной поверхностью 4 м /г, .1073229 4 смешивают с 55 мас.Ъ порошка нитрй- да кремния Ту 20-23-80 с удельной поверхностью 0,3 м2/r и 1 мас.Ъ .углерода в виде сажи марки ПМ-15TC OCT

381531-73 с удельной поверхностью

16 м /г в шаровой мельнице в течение

20 ч. Затем в полученную смесь добавляют пластификатор, состоящий из пчелиного воска и парафина, формуют методом полусухого прессования иэделие, имеющее плотность 1,8 г/см.

После этого иэделие помещают в сушильный шкаф при 600 К и за 8 ч удаляют пластификатор. Затем иэделие . помещают в реактор-СВС на графитовую подложку. Сбоку изделия .насыпают тонкий слой исходной смеси и в контакте с ней размещают вольфрамовую спираль, укрепленную в герметичные электровводы. Далее реактор эакрывают герметичной крышкой, откачивают до давления 10-1 бар и saполняют азотом до давления 100 бар.

Подле этого на вольфрамовую спираль подают электрический импульс (Ц= 3050 В,3 =40-50 А, 3-4 с длительности).

Электрический импульс инициирует в смеси и изделии, реакцию СВС, которая протекает при 2300 С со скоростью

1 мм/с. Процесс. горения длится 2-!

О 3 .мин. После естественного остывания продуктов реакции реактор открывают и извлекают as него изделие as

I реакционно-спеченного нитрида кремния, Режимы синтеза, данные по составу, плотность и прочность, полученного иэделие. представлены в таблице.

Плотность полученного иэделия

2,3 г/см9, 1073229

I

1 о о

I л л.

1

1

I

I

I о о

I л

Д ь (хк охи хyw о а

Э и х

ГЧ

ГЧ

Р(П( »

C) о х х

lD аФ ю а х!

-» ь с

° -» ГЧ . 1

f х х

1 0,+.

1 (» Э х 0, Х х

Г»Ъ Ch с ф (О О»

»"Ъ

CO

Ch!

I

4 о

°, Ю

Й

Э ь »

1 ((:(° (» о

Ю и1

Ю>

»л

Ю

C) 1

I М

1

I Ф 1

1 0

Р)

Э I (» (Х I 0, Х - 1 Э

u (: !

»

}!

Э с

Э

1 Х 1 х

Э ца

Д»((1

1»II Ю I

Р !

I

I

I

1 !

1 о о о о о о о о

Г»Ъ Г 1 Я) Я)

ГЧ ГЧ Ю 1

Ю о

Ю

Ю о

Ю и

III

Ц о а

1 Э

1 л

1 (»

I » 1

1- — — -1

Э

Х 0 1

Ы М !

Ц о

Х и х. C

I Х

1 Х

I 3

I Э а

I М

Ф (» и о о

I

I (I 3

М

1 4 М%ч (gС,) с хох

1 9) аФ

I Хgwм !

»II »М

lO .;ф „,,(.» ХГ

1 (»l а0 (» (Х ХГч

Я

Е о х х х 1 0»X

I

1 о о

Г л

1

f

I

1

1 о о !

» (1

1

1

1

Г Ъ с с.

ГЧ M

I о о о !

» (1

1

I

I

ГЧ

I

I

1 !

1

1 (1

1 !

1

I

1 (I

ОЪ

1073229

Материал, изготовленный из порошка нитрнда кремния, полученного методом СВС, имеет плотность (порис- тость Ф), лежащую в тех ие пределах

2,4-2, 5 .г/см з (25-234) прочность при изгибе 12-16. кг/мм при 293 К и всего

3,2-5 кг/ммпри 1800 K,в то время,как материал, из готовленный данным способом,имеет прочность 16 кг/мы в интерва» ле температур 293-1800 K.

Составитель Н. Соболева .

Редактор Т. Веселова Техред Т.Маточка Корректор С, Шекмар

Заказ 264/21 Тирам 606 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Уагород, ул. Проектная, 4