Способ получения керамического изделия

Способ получения керамического изделия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Сущность изобретения: получают композитные керамические изделия с использованием пористого слоя или заготовки из наполнителя с расплавленным металлом в присутствии газофазного окислителя для достижения инфильтрационного роста поликристаллической матрицы продукта реакции металла с окислителем в слой или заготовку наполнителя, где слой или заготовка наполнителя имеет первую систему пор из крупных соединенных между собой пор и вторую систему пор из более мелких соединенных между собой пор, ограниченных частями наполнителя, сохраняющими структурную стабильность определяющей поры структуры в ходе инфильтрации. 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

союз советских социАлистических

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ф4,,=," п4 g> $p ip в у:Чть.,1„,.

I:Ь:,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАЧ ЕНТУ (21) 4203290/02 (22) 14.09.87 (31) 907,039 (32) 16.09.86 (33) US (46)07.05,93. БюллФ17 (71) Ланксид Текнолоджи Компани Л.П. (US) (72) Дэив К.Кребер и Адам Гесинг (СА) (56) ЕР М 0193292, кл. С 04 В 35/65, 1986. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ (57) Сущность изобретения: получают композитные керамические изделия с испольИзобретение относится к получению керамических изделий окислением исходного металла газофазным окислителем с образованИем керамической матрицы из пористого наполнителя и продуктов реакции окисления, Целью изобретения является повышение эффективности инфильтрации и возможности получения изделий заданной формы.

Данным способом получают изделия почти точной формы. Например, если масса исходного металла окружена проницаемым слоем наполнителя или частицами практичевски инертного наполнителя и нагрев проводят в присутствии окислителя до пол. ного окисления, то результирующее керамическое изделие имеет внутреннюю полость, точно совпадающую с первоначальной внешней конфигурацией исходной массы металла. Если проницаемый слой сам имеет определенную внешнюю форму, вне которой не может образоваться продукт реакции окисления, то получаемое керамическое изделие будет иметь соответствующую внеш„„5Q „„1814588 А3 (st) s В 22 F 3/26, С 22 С 29/12, С 04 В 35/71

I зованием пористого слоя или заготовки из наполнителя с расплавленным металлом в присутствии газофазного окислителя для достижения инфильтрационного роста поликристаллической матрицы продукта реакции металла с окислителем в слой или заготовку наполнителя, где слой или заготовка наполнителя имеет первую систему пор из крупных соединенных между собой пор и вторую систему пор из более мелких соединенных между собой пор, ограниченных частями наполнителя, сохраняющими структурную стабильность определяющей поры структуры в ходе инфильтрации. 11 з.п.ф-лы, 2 ил. нюю форму, При разработке этого способа было установлено, что наполнитель может содержать агрегаты частиц, проволок, воло- . кон, нитевидные кристаллы, плетеные лами-:, "наты и т.п. I

Данное изобретение заключается в уса- . вершенствовании способа получения самоармированной керамической массы, !Ю имеющей наполнитель, введенный в керамическую матрицу из продукта реакции Дь. окисления, помещением массы. исходного, (Л металла и проницаемой массы наполнителя (О в такое взаимное расположение друг с дру- р гом, чтобы происходил рост и инфильтрация продукта реакции окисления в проницаемый наполнитель, Металлическую массу расплавляют и поддерживают в контакте с (д атмосферой, содержащей газофазный окислитель, взаимодействующий с расплавленным исходным металлом, с образованием продукта. окислительной реакции. Б соответствующем интервале температур расплавленный . металл постепенно транспортируется через продукт реакции окисления и окисляется в контакте с окисли1814588 телем, образуя дополнительный реакционный продукт, составляющий поликристаллическую керамическую матрицу. В данном способе используют проницаемый слой, имеющий первую систему пор, состоящую иэ межчастичных пор, предпочтительно относительно крупных и вторую систему пор, состоящую из внутричастичных пор, предпочтительно более мелких чем межчастичные поры, Наполнитель, имеющий поры внутри частиц, структурно стабилен при инфильтрации слоя. Эта двойная система крупных и мелких пор приводит к эффективной инфильтрации продукта окислительной реакции проникновения газа в проницаемый слой.

Еще одним аспектом данного изобретения является то, что наполнитель содержит пористые агломераты из стабильных небольших частиц или кристаллов, Более мелкие поры находятся между составляющими когезированными кристаллами внутри каждого агломерата и их называют "внутричастичными порами", а более крупные поры представляют собой зазоры между агломератами в слое и их называют "межчастичными порами". Например, слой может являться агрегатом (например, уплотненным слоем) этих агломератов или сырой формой, или заготовкой, полученной из агломератов, связанных между собой, например, частичным спеканием.

Имеющиеся примеры наполнителей— агломератов, пригодные для использования в данном изобретении и в настоящее время коммерчески доступные, имеют как правило сферическую форму и размеры «бЕйпечивающие легкую работу с ними. Они имеют такую- пористость, которая дает возможность инфильтроваться продукту реакции окисления и газофазному окислителю, поэтому они не ограничивают скорость реакции и не вызывают образования нежелательных фаз из-за нехватки кислорода на фронте реакции. Кроме того, сырые формы (заготовки), состоящие из таких агломератов, однородны и не содержат больших дефектов или негомогенных участков. В то же время кристаллиты, составляющие агломераты, могут иметь очень малые размеры, поскольку они удерживаются в структуре агломератов и не перестраиваются в ходе роста керамической матрицы в данном способе, именно эти кристаллиты малого размера составляют частицы наполнителя в результирующем продукте, Поэтому использование указанных агломератов для получения проницаемого слоя дает возможность испольэовать частицы, т,е. кристаллиты, нужного малого размера без затруднений и недостатков, свойственных известным слоям или заготовкам из очень мелких частиц.

Кристаллиты, составляющие агломераты, сами могут иметь любую форму, например, равноосную либо игольчатую или пластинчатую. В используемом здесь широком смысле термин "частицы" охватывает волокна, агломераты могут являться пучками волокон или жгутами либо состоящими

"О из свитых нитей, либо сплетенными в форме заготовки, В этом случае большие пространства между пучками в заготовке являются межчастичными порами, а малые пустоты между индивидуальными волокна15 ми в каждом пучке являются внутричастичными порами.

В еще одном варианте данного изобретения проницаемый слой может быть губчатой структурой, например сетчатой

20 керамической структурой, где пространство между соседними керамическими ветвями составляет межчастичные поры, а мелкие распределенные и соединенные между собой поры являются внутри самих керамиче25 ских ветвей и составляют вторую систему пор, соответствующих внутричастичным пространством в массе агломератов, На фиг.1 показана упрощенная схема разреза тигля в печи, иллюстрирующая осуЗО ществление варианта способа по данному изобретению; на фиг.2 — схема, схожая с фиг,1 и иллюстрирующая осуществление другого варианта данного изобретения, По данному изобретению керамическое

Э5 изделие, содержащее наполнитель, включенный в керамическую матрицу иэ продукта реакции окисления, получают следующим образом. Массу исходного металла и массу проницаемого наполнителя

40 ориентируют относительно друг друга для инфильтрации продукта окислительной реакции в проницаемую массу, в присутствии газофазного окислителя расплавляют исходный металл и вводят расплав во взаимо45 действие с окислителем нагревом до соответствующей. температуры с образованием продукта реакции окисления и при такой температуре поддерживают часть продукта реакции окисления в контакте и

50 между массой расплавленного металла и окислителем для поступательного течения расплавленного металла через продукт окислительной реакции по направлению к окислителю и наполнителю, в результате чего окислительная реакция продолжается в массе наполнителя на границе раздела между окислителем и ранее образовавшимся продуктом реакции окисления. Реакцию продолжают в течение времени, достаточного для инфильтрации части массы наполнителя, где проницаемая масса состоит иэ первой системы пор, расположенных между частицами и распределенных в массе, и второй системы пор, расположенных внутри части и также распределенных в массе, где обе системы пор находятся внутри частей или между частями наполнителя. Часть наполнителя, определяющая вторую систему пор, структурно стабильна в ходе инфильтрации продукта реакции окисления и сохраняет определяющую поры структуру.

В частности, в способе по данному изобретению в качестве проницаемой массы (наполнителя — слоя или заготовки) используют массу, содержащую один из следующь,х компонентов: а) Агрегаты или заготовки из частиц любого состава, которые функционально достато (Ho инертны по отношению к исходному металлу в условиях осуществления способа по данному изобретению. Каждая частица сама содержит пористый агломерат из стабильно когаэированных кристаллов, которые могут быть равноосными или имеет форму игольчатых кристаллов или пластинок. Некоторые примеры таких частиц являются следующими:

1) Кальцинированный тригидрат оксида алюминия, частицы которого сохраняют внешний размер и форму имеющего низкую плотность тригидрата оксида алюминия, но внутренне перекристаллиэованы во взаимно проросшую сетку пластинок альфа-оксида алюминия. Так как плотность тригидрата около 2,4 г/см, а плотность альфа-оксида алюминия около 4 г/см, то эти частицы обычно имеют пористость 507. Диаметр пластинок альфа-оксида алюминия лежит в интервале 0,5-5 мкм в зависимости от температурного режима обжига и минеральных добавок.

2) Высушенные распылением или агломерированные и частично спеченные частицы любого химического состава, функционально достаточно инертные по от. ношению к исходному металлу в условиях способа по данному изобретению. В этом случае для равновесного плотного порошка типичная первоначальная открытая пористость индивидуальных распылительно высушенных частиц равна приблизительно

40-50 Пористость можно снизить до приблизительно 10-15 обжигом, ведущим к частичному спеканию. При пористости ниже 10-15 поры изолированы и не доступны для исходного металла или продуктов его окисления.

2) Высушенные распылением или агломерированные порошкообразные частицы металла, которые затем реакционно связытиц может варьироваться в широкими; пределах.

4) Частицы, полученные карботермическим восстановлением высушенных распы10 лением или аглбмерированных частиц

35

50 между собой поры ("внутричастичные поры"). Для получения губчатых структур пригоден любой материал, функционально

30 вают азотированием или окислением, Порошки нитридов кремния и алюминия коммерчески производятся раэмалыванием таких частиц азотированного металла. Пористость таких реакционно связанных часоксидных предшественников и т,п, Боридные, карбидные и нитридные порошки и игольчатые кристаллы коммерчески производят этим способом. Карбиды;,îëó÷àþò в вакууме или инертной атмосфере, Нитриды получают карбоазотированием в аммиаке или азоте. При изготовлении боридов в качестве барных предшественников используют В4С или ВгОэ. В этом случае можно получать большую объемную долю внутричастичных пор, поскольку выделяется газообразный реакционный продукт СО/СО2.

Можно получать широкий набор форм кристаллитов оТ равноосных до сильно вытянутых кристаллитов, В случае TiBz получают открытые губчатые структуры частиц, ссобенно пригодных для реакционной инфильтрации.

b) Заготовки из пучков или жгутов волокон, где каждая нить свернута или сплетена в форме заготовки. В этом случае большие пустоты между пучками являются "межчастичными порами", а малые каналы между индивидуальными нитями в каждом пучке являются "внутричастичными порами". В этом случае нити могут состоять иэ любого функционально достаточно инертного материала. Кроме того, реакционноспособные волокна можно покрывать достаточно функционально инертным внешним покрытием, с) Губчатые структуры, например, полученные инфильтрацией в нестойкую полимерную губку керамической суспенэии и частичным спеканием такой структуры. Объем, первоначально занимаемый полимером, дает крупные соединенные между собой каналы, межчастичные поры), а частично спеченные керамические частицы сохраняют небольшие распредленные соединенные инертный по отношению к расплаву исходного металла.

Таким образом, в каждом из описанных случаев проницаемая масса в соответствии с данным изобретением отличается тем, что имеет первую систему пор из соединенных между собой относительно крупных пор и вторую систему пор из соединенных между

1814588

SION в HBllollHMTene надо снижать до 50 и меньше, т.е. до небольшого количества, 50 смешением с инертным матерйалом. Восстанавливаемое соединеййе может иметь также форму покрытия на функционально инертном наполнителе либо его можно осадить из растворов любым известным способом с переходом золь-гель или частичным окислением наполнителя, например окислением воздухом SIC при 1300 С с образованием 902 — покрытия на всех частицах наполнителя, собой мелких пор, где все эти поры распределены в массе. Если лроницаемая маса является агрегатом или заготовкой иэ пористых агломератов, то первая система пор— это пустоты или межчастичные поры (между соседними агломерами в слое или заготовке), а вторая система пор включает внутричастичн ые поры в каждом агломерате между кристаллами, составляющими агломерат.

Если проницаемая масса состоит из пучков или жгутов волокон, то первая система пор — это пустоты между соседними пучками, а вторая — пустоты между соседними волокнами в каждом пучке. Если проницаемая масса является керамической губкой, то первая система пор — пустоты между соседними керамическими ветвями губки, а вторая—

: поры в каждой керамической ветви. Кроме того, в каждом случае части наполнителя, определяющие вторую систему пор, структурно стабильны и не повергаются закрывающей поры перестройке в ходе инфильтрации, Так, например, в случае слоя или заготовки из агломератов кристаллитов индивидуальные кристаллиты каждого агломерата стабильно когезированы друг с другом в структуру с порами.

Наполнитель функционально достаточно инертен, но может образовывать небольшое количество соединений, восстанавливаемых исходным металлом, например в случае Al как исходного металла наполнитель может содержать SION или

5!зй4. Восстанавливаемые соединения кремния можно добавлять в виде порошка к функционально инертному наполнителю (например, А!20з или SIC) в форме кварцевоro песка или алюмосиликатного минерала, например каолиновой глины.

Восстанавливаемое соединение может быть распределено в виде минеральной компоненты наполнителя, например; в виде

На О, содержащегося в А!гОз обычно в количестве 0,05-0,67;, илй в виде SION, содержащегося в алюмосиликатных минералах, таких как глины или шпаты в количестве

40-60-",ь. В последнем случае содержание

Присутствие восстанавливаемого соединения в наполнителе вызывает равномерное и быстрое инициирование инфильтрационной реакции и приводит к равномерному фронту инфильтрационной реакции. Восстанавливаемые соединения могут быть равномерно распределены в слое наполнителя или сконцентрированы на границе между наполнителем и исходным металлом.

Другие добавки могут быть в небольшом количестве введены в наполнитель для изменения его смачиваемости расплавленным исходным металлом в реакционных условиях. Например, добавка соединений щелочных металлов увеличивает смачиваwe наполнителя исходным металлом. Особенно пригодны соединения Na, LI и К.

На фиг,1 изображен вариант способа по данному изобретению. Масса исходного металла, например, содержащего алюминий, кремний, цирконий, гафний, олово или титан, и проницаемая масса в соответствии с данным изобертением расположены вплотную друг к другу и ориентированы относительно друг друга так, чтобы рост продукта реакции окисления происходил в направлении к наполнителю, т.е. к проницаемой массе, для того чтобы наполнитель или его часть инфильтровался растущим продуктом реакции окисления и оказался заключенным внутри него. Это расположение или ориентация исходного металла и наполнителя относительно друг друга может достигаться внутри графитового тигля 1 простым введением массы исходного металла 2 в проницаемую массу 3, состоящую из слоя частиц наполнителя, как показано на фиг.1, или расположением одной или более массы исходного металла внутри или рядом с проницаемой массой, состоящей иэ слоя или другой конструкции (например, сырой формы или заготовке) наполнителя, Конструк- . ция в любом случае такова, что направление роста продукта реакции окисления ведет к наполнителю и продукт реакции окисления проницает в часть.наполнителя (заполняется), пустоты между частицами наполнителя заполняются матрицей растущего продукта реакции окисления, Если один или больше допант(описанный ниже) нужно или желательно испольэовать для облегчения роста продукта окислительной реакции, то его можно нано- . сить на исходный металл, и/или вводить в исходный металл, и/или наносить на или вводить в слой или заготовку наполнителя.

При использовании алюминия или его сплавов в качестве исходного металла и кислородсодержащего газа как окислителя по данному изобретению соответстующие ко18145Р". личества допантов можно сплавлять с исходным металлом или наносить на нега. Затем массу исходного металла помещает в тигель 1 или другой термостойкий контейнер, где поверхность мсталла контактирует 5 или окружена массой проницаемого наполнителя 3 в контейнере в присутствии окислительной атмосферы (обычно воздуха при нормальном атмосферном давлении). Затем результирующую конструкцию нагревают в 10 печи 4, повыша температуру приблизительно до 850-1450"С или более предйочтительно 900-1350 С в зависимости от наполнителя, допанта или концентрации допан га, или сочетания любых из этих усло- 15 в -.й. до начала транспорта через покрываюв ий оксидный слой, обычно защищающий исходный металлический алюминий.

В ходе высокотемпературного контакта исходного металла с газофазным окислите- 20 лем происходит окисление исходного металла с образованием слоя поликристаллического реакционного продукта увеличивающейся толщины, Этот растущий продукт реакции окисления 25 постепенно пропитывает соседний проницаемый наполнитель непрерывной матрицей продукта окислительной реакции, которая может содержать также включения неокисленного исходного металла, образуя 30 когеэивный компоэит. Растущая поликристаллическая матрица пропитывает или проникает в наполнитель с практически постоянной скоростью, т.е. при практически постоянной скорости увеличения толщины, 35 если организован достаточный обмен воздуха или окислительной атмосферы в печи с поддержанием практически постоянного источника окислителя. Обмен окислительной атмосферы в случае воздуха удобно осу- 40 ществлять с помощью вентилей 5 и 6, имеющихся в печи. Рост матрицы продолжается до одного из следующих моментов:

1) практически весь исходный металл исчерпывается; 2) окислительную атмосферу за- 45 меняют на неокислительную эа счет исчерпывания окислителя или откачки или

3) реакционную температуру изменяют так, чтобы она вышла эа пределы реакционных температур, например опускают ниже тем- 50 пературы плавления исходного металла.

Обычно температуру снижают понижением температуры печи, после чего материал из- . влекают из печи, В изображенном на фиг.1 варианте пер- 55 воначальная масса исходного металла является твердой, имеет форму с сечением в виде четырех дуг и погружена в праницаемую массу, состоящую из уплотненного слоя пористых агломератов наполнителя.

11 1 - 1 показаны условия получения издели путем инфильтрации. Исходная масса металла плавится и продукт реакции окисления инфильтруется в зону 7 проницаемой массы 3, оставляя объем 8, первоначально занимаемый твердой массой металла, лишь частично заполненным остаточным расплв" вом исходного металла 2. Зона 7 представляет собой сформованный продукт, состоящий из наполнителя, пропитанного продуктом реакции окисления, окружающий и очерчивающий полость (объем 8), приблизительно . воспроизводящую первоначальную форму исходной массы металла.

Продукт этого способа является твердым целостным жестким изделием, состоящим из первоначального инертного наполнителя и поликристаллического продукта реакции окисления, образовавшегося в наполнителе в ходе нагрева, а также возможно некоторого количества непрореагирова вшего исходного металла.

Предпочтительно во многих случаях выбирать такое количество металла в первоначальной массе исходного металла относительно свободного объема или объема пор проницаемой массы, чтобы при завершении реакции этот объем был полностью заполнен реакционным продуктом, содержащим или несодержащим нвнрореагировавший исходный металл, таким образом получаемое изделие является плотным, самоармированным, практически свободным от пор телом, состоящим из инертного наполнителя первоначальной проницаемой массы, заключенного в поликристаллическую матрицу продукта реакции окисления, образовавшуюся при нагреве, и возможно некоторого количества непрореагировавшего металла. В последнем случае избыточный металл может быть либо изолирован, либо взаимно связан, Макроскопический избыточный металл может также присутствовать на некоторыхвнешних поверхностях керамической массы, давая границу раздела металл-керамика с хорошей адгезией. Также можно получить покрытые керамикой металлические изделия, сочетающие прочность металлической сердцевины с твердостью, эрозионной: стоикостью и/или другими свойствами поверхностного керамического слоя.

Данный способ с использованием пористой заготовки или слоя наполнителя дает возможность получить керамические изделия с почти точной формой. Конфигурацию внешней поверхности получаемого изделия можно задавать соответствующим образом, задавая первоначальную внешнюю поверх1814588

20

35

45

55 ность проницаемой массы, например (если наполнитель является уплотненным слоем частиц) помещением уплотненного слоя внутрь ограничивающего форму барьера, ограничивающего рост реакционного продукта.

Если количество первоначальной массы исходного металла относительно свободного объема проницаемой массы таково, что последняя полностью инфильтруется продуктом реакции окисления при нагреве и если нагрев продолжают до практически полного завершения инфильтрации, а также если проницаемая масса окружает или практически окружает массу исходного металла, то получаемое изделие будет иметь пустоту или полость. соответствующую объему первоначально занимаемому массой исходного металла, и воспроизводящую внешнюю поверхность исходной массы металла. Если количество исходного металла достаточно для полного заполнения свободного объема праницаемой массы продуктом окислительной реакции, то получаемое изделие будет представлять собой однородное твердое изделие с порами или без них, имеющее форму внешней поверхности riepвоначальной проницаемой массы.

На фиг,2 показан другой вариант способа получения изделия по данному изобретению, аналогичный варианту, изображенному на фиг,1.

На фиг,2 показана проницаемая масса

3, закрепленная внутри огнеупорного тигля

1, состоящая из наполнителя-заготовки и имеющая форму, соответствующую форме целевого изделия. Заготовка может представлять собой, например, массу пористых наполняющих агломератов кристаллитов, где агломераты связаны вместе (например, спеканием) с образованием нужной формы, которая в данном случае определяет внутреннюю, первоначально пустую полость 8 с сечением в виде четырех дуг. Масса исходного металла 2 первоначально содержится в огнеупорной ванне 9 над тиглем сообщающейся с полостью заготовки 8 через находящееся внизу отверстие 10, стыкованное с отверстием 11 i заготовке. На фиг.2 покаэано исходное положение этой операции, где тигель 1 расположен в печи 4.

При нагреве с непрерывной циркуляцией воздуха или другого газофазного окислителя через вентили 5 и 6 с проникновением в заготовку металл 2 плавится и заполняет полость заготовки, в результате продукт реакции окисления инфильтруется в заготовку. Допант, если он необходим, может быть либо сплавлен с массой исходного металла, либо нанесен на внутреннюю поверхность заготовки, либо распределен внутри заготовки. Как и в предыдущем случае, результирующий продукт является жестким керамическим иэделием, содержащим наполнитель-заготовку внутри матрицы продукта реакции окисления и содержащим или несодержащим непрореагировавший металл и/или поры.

Для дальнейшей иллюстрации данного изобретения в его конкретных вариантах используют проницаемую массу (слой наполнителя или заготовки) из àrpeгата неразмолотых пористых частиц альфа-оксида алюминия, полученных обжигом металлургического тригидрата оксида алюминия, каждая из которых является агломератом кристаллитов альфа-оксида алюминия.

Для достижения преимуществ по данному изобретению важно использование частиц в неразмолотом состоянии. Каждая из этих неразмолотых частиц является стабильной, как правило сферодальной, мультикристаллической структурой, размером около нескольких десятков микрон, эти частицы когезионно связаны, имеют открытую сетку равномерно распределенных пор, размер которых близок к размерам кристаллитов. Таким образом, каждая неразмолотая частица является пористым агломератом кристаллитов, который определен ниже. С неравномолотыми пористыми частицами легко работать, их легко укладывать в уплотненный слой или пористую заготовку, свободную от больших дефектов или неоднородностей. Стабильно, когезированная кристаллитная структура индивидуальных неразмолотых частиц предохраняет индивидуальные кристаллиты от перестройки перед и в ходе роста матриц (продукта реакции окисления) и сохраняет открытыми поры слоя или заготовки для нужного проникновения газофазного окис-. лителя до завершения образования матриц.

При осуществлении данного и аналогичных способов размер микроструктуры растущей поликристаллической матрицы уменьшается эа счет уменьшения размеров частиц наполнителя в слое или заготовке.

Поэтому для тонкой микроструктуры матрицы желателен очень маленький размер частиц напал нителя. Индивидуальные кристаллиты альфа-оксида алюминия в неразмолотых пористых частицах оксида алюминия серии Al Can С-70 представляют собой такие мелкие частицы наполнителя, определяющие тонкость микроструктуры растущей матрицы, несмотря на то, что каж-. дая неразмолотая частица наполняющего слоя или заготовки является значительно большим па размерам агломератом многих

1814588

15

35

55 кристаллитов, удерживаемых в открытой структуре. Таким образом, использование описанных неразмолотых пористых частиц для слоя или заготовки дает возможность достичь как мелкодисперсности частиц, требуемой для тонкой микроструктуры матриц, так и проницаемости и гомогенности (отсутствия больших дефектов), что обычно присуще крупным частицам.

Размер неразмолотых пористых частиц можно регулировать выбором размеров предшествующего тригидрата, а размер альфа -кристаллитов — режимом обжига и добавлением минерализатора. Кроме того, поскольку во многих случаях желательно получать слой наполнителя или заготовок, состоящие в основном из агрегата йераэмолотых частиц, пористых частиц альфа-оксида алюминия, то агрегат может включать в себя небольшое количество мелкопористых или непористых инертных порошкообразных частиц, например мелких частиц, выбранных таким образом, чтобы они заполняли промежутки (имеющие обычно размер 10 — 20 мкм) между большими неразмолотыми частицами. Аналогичным образом при использовании других проницаемых масс, охватываемых данным изобретением, можно вводить такие небольшие количества мелких частиц.

Обратимся снова к фиг.1., иллюстрирующему вариант осуществления способа по изобретению: масса металлического алюминия 2, например, сплавленного или покрытого небольшим количеством подходящих допантов, таких как Mg и Si, или покрытого тонким слоем порошка подходящего допанта, такого как MgO и/или оксид кремния, пропитывает упакованный слой 3 неразмолотых частиц альфа-оксида алюминия и при нагреве в воздухе до те.лпературы, при которой металл плавится, происходит поступательный рост керамики (AI2Oa).в упакованный слой. Нагрев продолжаютдотех пор, пока продукт реакции окисления полностью не проникнет в упакованный слой. Результирующее иэделие является жестким, самоармированным изделием, содержащим кристаллиты альфаоксида алюминия частиц наполнителя, распределенные в . проросшей поликристаллической матрице альфа-оксида алюминия и содержит или не содержит непрореагированный металл, В реальном испытании заготовку получали из размолотых влажным способом оксидов алюминия, При попытке прорастить матрицу А!20з в эти заготовки с использованием расплавленного алюминия в присутствии воздуха как окислителя было установлено, что рост очень медленный. В отличие от этого такая матрица существенно прорастает в слой неразмолотых частиц оксидов алюминия серии в сравнимых экспериментальных условиях. Происходит значительный рост матрицы оксида алюминий в слой неразмолотых частиц и любые присутствующие металлические ингредиенты полностью заполняют пустоты пористых частиц, приводя к получению плотной тонкой микроструктуры, пригодной для применения в виде структурных компонентов, Используемые термины окислитель, "газообразный окислитель" и т.п. относятся к окислителю, включающему в себя особый газ или пары, где укэанные пары или газ представляют собой индивидуальный, основной или существенный окислитель исхадного металла в условиях, созданных в окислительной среде. Термин "исходный металл" относится к такому металлу, например алюминию, который является предшественником поликристаллического продукта реакции окисления и включает в себя такой металл или относительно чистый металл, имеющий загрязнения и/или сплавленные примеси и сплав, в котором этот металл-предшественник является основным ингредиентом. Хотя в описываемом здесь изобретении особое внимание уделяется алюминию как исходному металлу, однако пригодны и другие металлы, отвечающие критериям данного изобретения, например кремний, титан, олово, цинк и цирконий. с

Используемый термин "керамика "неограничен керамикой в классической смысле, т,е. керамикой, целиком состоящей из неметаллических и неорганических соединений, а относится скорее к массе, которая является в основном керамической с точки зрения либо ее состава. либо основных свойств, хотя она и может содержать значительные количества одного или больше металла, получившиеся из исходного металла, обычно лежащие В приблизительном интервале 140 об.;, хотя эта масса может содержать и значительно большие количества металла.

Металлы-допанты в сочетании с исходным металлом могут оказывать положительное влияние или ускорять реакционный окислительный процесс. Например, в случае использования алюминия как исходного металла особенно; если окислителей является воздух, пригодные допанты включают в себя металлические магний и цинк в сочетании друг с другом или с другими описываемыми ниже допантами. Зти металлы или подходящие источники металлов можно сплавлять с исходным металлом на основе

1814588

35 щий получаемый продукт, конкретное сочетание допантов, если используют два или больше допанта, использование наносимо- 40

50

55 алюминия, каждый в концентрации приблизительно 0,1-10 вес.$ от общего веса результирующегоо допированного металла.

Концентрационный интервал для любого индивидуального допанта зависит от таких факторов, как комбинация допантов и рабочая температура. Оказалось, что лежащие в этих интервалах концентрации инициируют рост керамической массы, увеличивают транспорт металла и положительно влияют на морфологию выросшего результирующего продукта реакции окисления.

Другие допанты, эффективные для роста поликристаллического продукта реакции окисления в случае систем на основе алюминия как исходного металла при использовании воздуха или кислорода в качестве окислителя, представляют собой, например, кремний, германий, олово и свинец, особенно при использовании в сочетании с магнием или цинком.

Можно использовать один или больше допант в зависимости от описанных условий. Например, в случае алюминия как исходного металла и воздуха как окислителя особенно пригодные сочетания допантов включают в себя следующие сочетания: а) магния и кремния или Ь) магния, цинка и кремния. Для этих случаев предпочтительны следующие концентрации: магний около

0,1 — 3 вес. цинк около 1-6 вес., кремний около 1-10 вес. .

Функция или функции допанта зависят от самого допирующего соединения, а также от множества других факторов. Эти факторы включают в себя, например, конкретный исходный металл, результируюro извне допанта в сочетании со сплавленным допантом, концентрацию допанта, окислительную среду и рабочие условия.

Допайт или допанты можйо вводить в состав сплава исходного металла, можно наносить на часть поверхности исходного металла либо наносить на носитель или часть носителя либо можно использовать сочетание двух или больше комбинаций.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1, Алюминиевый состав (107, Sl, до 3 $ Mg) помещают для роста продукта реакции окисления в слой неразмолотых частиц оксида алюминия AICan С-72 {размер кристаллитов 1,5-5 мкм), кристаллиты агломерированы в частицы размером 45 — 15 мкм

{в атмосфере воздуха используется до 100;(, кислорода). Время и температуру реакции варьируют следующим образом.

Время (часы до температуры пропитывания): 2, Время (часы при температуре пропитывания): 0-100.

Температура: 1100-1250 С.

Сплав; Al+ 107ь Sl+(О-37ь) Mg.

Экспериментальная конструкция представляет собой куб металла, погруженный в слой, где верхняя поверхность металла контактирует с реакционноспособным газом, либо куб металла, полностью погруженный в слой (все поверхности металла контактируют со слоем).

Пример 2. Экспериментальная конструкция представляет собой два толстостенных тигля, полученных из одинаковой смеси одинаковым способом. Внешний тигель имеет внешний диаметр 3,8 см и внутренний диаметр 2,5 см. Стержень из алюминиевого сплава состава А) 3 Mg и 10 Sl помещают в больший тигель и затем вставляют внутренний тигель с внешним диаметром 2,5 см.

Внутренний тигель работает как плавающая крышка, предотвращая рост из стержня в свободное воздушное пространство. Таким образом, рост продукта реакции окисления направлен в керамическую заготовку.

Тигли различной плотности получают смешением различных соотношений размолотого и неразмолотого оксида алюминия Al

can С-72. Размолотый оксид алюминия С-72 представляет собой кристаллиты, освобожденные из неразмолотых агломерированных частиц, Они имеют форму пластинок диаметром до 5 мкм и толщиной около 1 мкм. Эти порошкообразные смеси смешивают затем с 5 вес. раствора поливинилового спирта, взятого только в таком количестве, которое позволяет смеси течь при вибрации в резиновых формах. Обычно чем выше доля неразмолотых частиц оксида алюминия, тем меньше количество связующего раствора, необходимое для организации течения. Вйбрация формы прекращается после окончания пузырьков воздуха. Затем формы помещают в холодильник на ночь для того, чтобы отлитое изделие можно было вынуть из формы. Сразу после этого отлитые тигли сушат в печи при 90 С для удаления избыточной воды и отверждения органического связующего, Тигли выдерживают в муфельной печи при

1300 С в течение 2 ч для придания высокой термоустойчивости, чтобы их можно было ввести в конта