Способ получения самосвязанного композиционного материала

Способ получения самосвязанного композиционного материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способу получения композиционного материала, содеркл кл Изобретение касается нового способа получения самоподдерживаемых масс и полумаемых из них материалов. Более конкретно , это изобретение касается способа получения самоподдерживаемых масс, содержащих одно или более борсодержащих соединений, т.е. борид или борид и карбид, реакционной инфильтрацией расплавленного исхрдного металла в(слой или массу, содержащую карбид бора и. необязатель д но, один или более инертных наполнителей для получения массы. В последние годы значительно возрос интерес к использованию керамики для конжэщего соединение бора и металл с использованием реакционной инфильтрации. Масса , подлежащая инфильтрации, может содержать один или более инертных наполнителей , смешанных с карбидом бора, для получения композиционного материала реакционной инфильтрацией, при этом композиционный материал содержит матрицу и борсодержащее соединение. Относительные количества реагентов и условия процесса могут изменяться и регулироваться с целью получения массы, содержащей различные количества объемных процентов керамики , металла и/или пористости. В качестве исходного используют металл из группы: A. Ti, Zr, Si, Hf. La, Fe, Ca, Se, Mb, Be, карбид бора берут по меньшей мере в соотношении, соответствующем стехиометрическому. необходимому для получения борида исходного металла. Температура нагрева 750-2300°С. Время - до завершения процесса взаимодействия возможно дополнительное введение в карбид бора (или его смесь с наполнителем) бора или углерода в количестве 5-10%. 3 з.п.ф-лы. струкционных целей а областях, исторически использующих металлы. Стимулом к такому интересу послужило превосходство керамических материалов в сравнении с металлами по ряду свойств, таких как коррозионная стойкость,твердость, износостойкость, модуль упругости и жаропрочность. Однако основным ограничением для использования керамических материалов в таких целях является возможность и стоимость получения желаемых керамических структур. Например, широко известно получение керамических масс боридов методами горячего прессования, реакционного (Л С оо СА) О СО О VI СА

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 04 В 35/65

& &

К ПАТЕНТУ

ГОСУЦЛРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4356043/33

{22) 14,07,88 (46) 23.08.93. Бюл. М 31 (31) 07/073533 (32) 15,0 У.87 (33) U5

{71) Ланксид Текнолоджи Компани ЛП (US) (72) Дэнни Р,Уайт, Майкл К.Агаянян и Дэннис Knaap (US) . (56) Патент США М 3937619, кл. 29-182.5, опубл, 1975.

Патент США М 4512946, кл. 264-332, опубл, 1985.

Патент CLLIA hL 4585618, кл. 419-12, опубл. 1986.

Заявка ЕПВ N. 0113249, кл. С 04 В 35/58, опубл. 1984.

Патент США М 4605440, кл. С 04 В 35/58, опубл. 1986.

Патент США М 4626516, кл. С 04 В 35/58, опубл. 1986. (54} СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САМОСВЯЗА1+

НОГО КОМПОЭИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к способу получения композиционного материала, содерИзобретение касается нового способа получения самоподдерживаемых масс и получаемых из них материалов. Более конкретно, это изобретение касается способа получения самоподдерживаемых масс, содержащих одно или более борсодержащих соединений, т.е, борид или борид и карбид, реакционной инфильтрацией расплавленного исходного металла в слой или массу, содержащую карбид бора и, необязатель- но, один или более инертных наполнителей для получения массы.

В последние годы значительно возрос интерес к использованию керамики для кон„„5LI 18363О7 А3 жащего соединение бора и металл с использованием реакционной инфильтрации. Масса; подлежащая инфильтрации. может содержать один или более инертных наполнителей, смешанных с карбидом бора, для получения композиционного магериала реакционной инфильтрацией, при этом композиционный материал содержит матрицу и борсодержащее соединение. Относительные количества реагентов и условия процесса могут изменяться и регулироваться с целью получения массы, содержащей различные количества объемных процентов керамики, металла и/или пористости. В качестве исходного используют металл из группы: AI. TI, Zr, Si, Hf, 1à, Fe, Са, Se, Nb, Be, карбид бора берут по меньшей мере в соотношении, соответствующем стехиометрическому, необходимому для получения борида исходного металла. Температура нагрева 750 — 2300 С. Время — до завершения процесса взаимодействия возможно дополнительное введение в карбид бора {или его смесь с наполнителем) бора или углерода в количестве 5-107. 3 з.п.ф-лы. струкционных целей в областях, исторически использующих металлы, Стимулом к такому интересу послужило превосходство керамических материалов в сравнении с металлами flo ряду свойств, таких как коррозионнаястойкость,твердость, износостойкость, модуль упругости и жаропрочность.

Однако основным ограничением для использования керамических материалов

8 таких целях является возможность и стоимость получения желаемых керамических структур. Например, широко известно получение керамических масс боридов методами горячего прессования, реакционного

1836307 спекания, реакционного горячего прессования. В случае горячего прессования тонкодисперсные частицы порошка желаемого борида уплотняются при высоких температурах и давлениях. Реакционное горячее прессование, например, включает уплотнение при повышенных температурах и давлениях бора или металлического борида с подходящим металлсодержащим порошком. В патенте (1) описано получение боридной массы горячим прессованием смеси порошкообразного металла с порошкообразным диборидом, и в (2) описано горячее прессование керамического порошка с бором и гидридом металла для получения бо ридного композиционного материала. .Однако эти методы горячего прессования требуют специального навыка и дорогостоящего специального оборудования, они ограничены размером и формой получаемых керамических иэделий и обычно они характеризуются низкой производительностью процесса и высокой стоимостью изготовления.

Вторым основным ограничением использования керамики в качестве конструкционного материала является ее общий недостаток ударной вязкости (т.е. стойкости к разрушению или сопротивления разрыву), Эта характеристика имеет тенденцию приводить к неожиданному, легко вызываемому катастрофическому разрушению керамических изделий в условиях даже сравнительно умеренных растягивающих напряжений, Этот недостаток ударной вязкости особенно проявляется обычно в монолитных керамических боридных материалах.

Попыткой решать эту проблему явилось использование керамического материала в сочетании с металлами, например, в керметах или в композиционных материалах с металлической матрицей. Целью такого подхода к решению проблемы является получение сочетания лучших свойств керамики (т.е, твердость или жесткость) и металла (т.е. пластичность, вязкость). Способ (3) касается получения кермета, при этом насыпная реакционная смесь частиц реагентов, которая взаимодействует с образованием спеченного самоподдерживаемого керамического материала, реагирует, находясь в контакте с расплавленным металлом. Расплавленный металл инфильтрует по меньшей мере часть полученной керамической массы. Примером такой реакционной смеси является смесь. содержащая титан, алюминий и окись бора (все компоненты в форме частиц), которую нагревают в контакте с массой расплавленного алюминия, Реакционная смесь взаимодействует с образованием диборида титана и глинозема в качестве кера5

10 мической фазы, которая инфильрирована расплавленным алюминием. Таким образом, этот метод предусматривает использование алюминия в реакционной смеси как восстановителя. Далее, внешний источник расплавленного алюмния используется не как исходный металл для реакции образования борида, а скорее используется как средство для заполнения пор в полученной керамической структуре. Получают керметы, смачиваемые расплавленным леталлом и устойчивые к нему. Эти керметы особенно полезны в вырабатывающих алюминийэлектролизерах как элементы, контактирующие с полученным расплавленным металлом алюминием, но предпочтительно не контактирующие с расплавленным криолито л. Но в этом процессе не показано применение карбида бора.

В (4) раскрывается способ получения кермета сначала формированием ln situ диспергированных частиц керамической фазы в расплавленной металлической фазе и затем поддержанием этого расплавленного состояния втечение времени,,достаточного для эффективного образования и прорастания керамической сетки, Образование керамической фазы показано на примере взаимодействия соли титана с солью бора в

30 расплавленном металле. таком как алюминий. Керамический борид образуется ln situ и становится проросшей сеткой. Однако, в этом процессе не участвует инфильтрация и далее борид образуется как преципитат в расплавленном металле. Оба примера, приведенные в заявке, выразительно подтверждают, что не наблюдалось образование гранул Ti-А!з. А! В2 или AID n, а скорее образование Т1В2, показывая тем самым, что

40 алюминий пе является исходным металлом для борида, Не содержится также указания на использование карбида бора как исходного материала в способе.

В патенте (51 описана метеллокерамиче45 ская система, полученная инфильтрацией.

Прессовку А1В12 импрегнировали расплавленными алюминием в вакууме для получения системы этих компонентов. Другие материалы, полученные этим споосбом, 50 включали системы SIBg-AI, 84С-А!/Si и

AI81z-В-Al. Не содержится никакого упоминания о реакции и получения композиционного материала с участием реакции с инфильтрацией металла или продукта реакции, заливающего инертный наполнитель, или часть композиционного материала.

Патент (6) раскрывает способ. в котором, с целью получения ВлС-Al — системы (получают холодным прессованием гомогенной смеси В4С и Al в виде порошков) I 5

18.?6301

10

30

50 прессовку В4С-А! подвергают спекэнию либо в вакууме, либо в атмосфере аргона. Ничего не сказано о инфильтрации расплавленного металла из пула или массы расплавленного исходного металла в прессовку. Далее, не содержится упоминания о продукте реакции, заливающем нейтральный нэполнитель с целью получения композиционного материала, использующего полезные свойства наполнителя.

Хотя зти концепции получения метэллокерамических матераилов в некотороых случаях приносят обеща ощие результаты, все же имеется общая необходимость разработки более эффективных и зкономических способов получения боридсодержащих

Mатериалов.

Известен также способ получения композиционного материала путем смешивания инертного компонента (карбиды, нитриды, силициды) и компонента, реакционноспосабного при условиях проведения процесса, их формование с последущей пропиткой расплавом кремния, В результате получают материал, содержащий указанный наполнитель, зерна которого связаны продуктом взаимодействия реационноспособного компонента (например. Mo) с расплавам, (например. Si), то есть дисилицидом мол и бде<1а.

Однако, указанный известный способ имеет ограничение в выборе взаимодейству<ощих компонентов(мо-si) и целью его не является получение собственно дисилицида.

Б то время, как предложенный способ направлен на получение по меньшей мере одного борсодержащега соединения путем взаимодействия исходнога металла и карбида бора, Согласно настоящему изобретению самоподдерживаемые керамические массы палуча<ат с применением инфильтрации исходного металла и реакционного процесса (т.е. реакционной инфильтрации) в присутствии карбида бора. Слой или массу карбида бора инфильтруют исходным расплавленным металлом и слой может целиком состоять из карбида бора, с получением самоподдерживаемой массы, содержащей один или более борсодержащих соединений исходного металла, при этом соединения вкл очают борид исходного металла или карбид бора исходного металла, или оба эти соединения, и обычно также могут включать карбид исходного металла. По выбору масса, подлежащая инфильтрации. может содержать один или более инертных наполнителей, смешанных с карбидом бора. для получения компазициOHtI0t О Матер<<.<ля )1!а х<<<111!<

ЦИЕЙ. 11 ?И ЗТОМ УОМ!

СПОСОба МОГут ИЗMÅ

Более конкретна, в способе согласно изобретению массу, содержащую карбид бара, памещз<от рЯдам или в контакте с Mэс сай расплавленного металла или «eTa»n .«

ЗНаЧИтЕЛЬНОй Л1ЕРЕ ИНЕРтной атМОСфЕРЕ В определенной телtïåðçòðнай>

В другом варианте осуществления traoбретения композиционнь!й материал получают переносом рэсплзвленного исходного металла в засыпку из карбида бора, смешанного с одним или более 1лэтериалами инертного нвполнителя, В згort осуществлении карбид бора введен в материал подходящего 1гэполнитлл, который затем помещают рядом с расг1лзвленныл1 исходным металлом или в контакте с ним.

Такал сборка может поддерживаться нэ.отдельном слое ипи в слое, который является в значительной мере несмачивземым и II8 взаимодействующим с рзсплэьленным металлом в условиях прогедения процесса.

Расплавленный металл инфильтрует смесь карбид бора-нэполнитель и взаимодействует с карбидом бора с образованием одного или более борсодер>кащих соединений.

Полученная самоподдерживаел>эя керамометаллическая композиционная масса обы гно имеет плотну1о микроструктуру. которал содержит11экопитель, залитый мзтрицой, включающей борсодержащее

СОЕД11НЕНИЕ(Я) И МОжвт таКжЕ ВКЛЮчатЬ КаРбид и металл. Требуется лишь небольшое количество кзрбидэ бора, чтобы стимулировать процесс реакционной инфильтрации.

Таким образом, пог<ученная лзтрица может варьировать от матрицы, содержащей первоначально металлические компоненты, проявляя при этом определенные свойства, характерные для исходного металла, до случаев, когдз в процессе используют высоку1о концентрацию карбида бора, получая при гом значительную фазу борсодержэщего соединения (й), которая вместе с углеродсодержащими соединениями определяет свойства матрицы. Наполнитель может служить для улучшения свойств композицион»ого материзла. снижения стоимости сырья

)5

)g

50 для композиционного мэтериэлэ или осуществления в умеренных условиях кинетики реакций образования борсодержэщего соединения (й) и/или углеродсодер>кэщего соединения, и связанного с ними темпа выделения тепла.

8 дальнейшем вэриа1гте осуществления изобретения материал, подлежащий инфильтрации, предварительно сформован в заготовку, соответству1ощую геометрии желаемого конечного изделия из коглпозицион ного мзтериалэ, Последук>щзя реакционная инфильтрация предварительно сформованной заготовки расплавленным исходным металлом дает композиционный материал, повторяtoùèé полностью или почти повторя1ощий форму предварительно сформованной заготовки, сводя к минимуму дорогостоящие и трудоемк 18 операции м8ханической обработки и доводки, Испопьзуоллые в настоящем описании и в формуле изобретения сг18цизль1lûå тер ли11ы Определен1я ни,кеследующим обрэзол1, Исходный металл отнoc«scar к металлу, т.е. ц11ркони1о, который является предшественником длл поликристаллического продукте реакции окисления, т.е. борида исходного метал»а или другого соединения бора исход1lot о метэппа и включает этот металл как чистый или относительно чистый металл, коммерчески доступный металл, име1ощий прил18си и/или .компоненты сплава другого металла, и сплав. в котором этот металл-г1редшестве1н1ик является основной состэвлвощей. и если специфический м8талл упо1линается в ка 1естве исходного металла, т,е. циркония, то определяемый металл следует понимать в этом Значении, если контекстом не определено иным образом, "Борид исходного металла" tl "соединения бора исходного металла" ознэчает про;1укт реакции, содержащий 60р, полученный реакцией между карбидом бора и исходным металлом и вкл1очзет би.гарное соединение борз с исходным металлом или тройное соединение или соединения более высокого порядка.

"Кзрбид исходного металла" означает продукт реакции, содержащий углерод, полученный взаимодействием карбида и исходного металла.

Б соответствии с изобретснием самоподдерживэемую массу получают реакционной инфильтрацией рэсплэвлен металла с карбидом бора с образованием поликристаллического керамического материала, содержащего продукт (ы) реакции исходного металла с карбидом бора. который так>не может включать одну или более со t 836307

5 л0

25

55 ставляющих исходного металла. Карбид бора. типично твердое вещество в условиях процесса, представляет собой предпочтительно тонкодисперсные частицы порошка.

Окружающую среду или атмосферу для проведения процесса выбирают такой, чтобы она была относительно инертной или нереакционноспособной в условиях проведения процесса. Аргон или вакуум, например, будут подходящей атмосферой для осуществления способа. Полученный продукт содержит один или более: (а) борид исходного металла (Ь) соединение бора, (с) обычно карбид исходного металла и (d) металл, Компоненты и соотношения их в продукте в значительной мере зависят от выбора состава исходного металла и условий проведения реакции. Самоподдер>киваемая масса может также иметь пористость или пустоты.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения исходный металл и масса слоя карбида бора размещены по соседству друг с другом, так что реакционная инфильтрация будет происходить в направлении и внутрь слоя карбида бора.

Засыпка карбида бора, которая может быть предварительно сформована в заготовку, мо>кет включать материал наполнителя, такого KBK армирующий нэполнитель, который в значительной степени инертен в условиях проведения процесса. Продукт реакции может прорастать в слой карбида бора без его существенного разрушения или смещения. Таким образом, не требуется приложения внешних нагрузок, которые могли бы повредить или разрушить упаковку слоя, и труднодостижимой и дорогостоящей температуры, высокого давления и сложного оборудования для получения продукта реакции. Реакционная инфильтрация исходного металла в карбид бора и с карбидом бора, который. предпочтительно находится в форме частиц или порошка, образует композиционный материал, обычно содержащий борид исходного металла и соединение бора исходного металла. С алюминием в качестве исходного металла продукт может содержать борокэрбид алюминия (т.е, А1з84вС2. AtBiyCg u

At Bz4C4) и может также включать металл, т.е. алюминий и возможно другие непрореагировавшие или неокисленные компоненты исходного металла. Если исхОдным металлом служит цирконий, то полученный композиционный материал содержит борид циркония и карбид циркония. Металлический цирконий также может присутствовать в композиционном материале.

Хотя настоящее изобретение в дальнейшем описано со ссылкой на определенные предпочтительные вариан-.ы осушеcl.ялеНИЯ, В КОТОPЫX ИСХОДilЫМ МЕТЭЛЛОIл ЯГЛЯЕТГЯ цирконий или BllioMl íèÉ. это лишь Голько в иллк.стративных целях. Могут быть iver>i е использованы другие исходные металлы, Tэкие как кремний, титан. гафний, лэнтэн. железо, кальций, ванадий, ниобий, магний и бериллий, и примеры некоторых таких исходных металлов приведены ниже.

Металл, по меньшей мере„частично погружен в частицы карбида бора, предпочтительно имеющие размеры примерно от

0,1 микрона до 100 микрон. Упаковка или сборка окружена инертным материалом, типично в форме частиц, которые не смэчиваются исходным металлом и не реагируют с ним в условиях процесса, и помещена R тигель или другой жаропрочный сосуд. Верхняя поверхность исходного металла может быть открыта или исходный металл может быть полностью погружен или окружен карбидом бора и также инертный слой может быть прерван или может отсутствовать. Эту сборку помещают в печь и нагревают предпочтительно в инертной атмосфере, такой как аргон, выше точки плавления исходного металла, но предпочтительно ниже точки плавления желаемого продукта реакции, для образования массы или пула расп авленного металла. Следует понимать, что рабочая температура или интервал предпочтительных температур может не выходить за пределы упомянутой температурной области. Интервал температур будет в значительной мере зависеть от таких факторов, как состав исходного металла и желаемые фазы в полученном композиционном материале. Расплавленный металл контактирует с карбидом бора и борид исходного металла (т.е. диборид цирко«ия) образуется как продукт реакции. При продолжающемся воздействии нэ карбид бора оставшийся расплавленный металл протягивается по- . ступательно через продукт реакции в направлении к массе, содержащей карбид бора, и в нее и обеспечивает непрерывное образование продукта реакции на границе раздела между расплавленным металлом и карбидом бора. Полученный этим методом продукт содержит продукт (ы) реакции исходного металла с карбидом бора или может содержать металлокерамический композиционный материал, включающий далее один или более непрорегировэвших или неокисленных составляющих исходного металла. Значительные количества карбида бора взаимодействуют с образованием продукта (ов) реакции и предпочтительно зто количество составляет не менее 50% и наиболее предпочтительно по меньшей мере

1836307

10

30

40 45 б0

90 . Образовавшиеся керамические кристаллиты могут быть взаимосвязаны или могут быть невзаимосоязаны, Но предпочтительно, когда они оэаимосвязаны в трех измерениях, а металлические фазы и всякие полост(1 в продукте нормально по меньше мере частично взаимосвязаны, Всякая пористость, имеющая тенденцию к образованию из частично или почти пол((остью израсходованной фазы исходного металла способстоует получению дополнительного продукта реакции (как в случае стехиометрии реагентов, или в присутствии избытка карбида бора), но обьемный процент пор будет зависеть от таких факторов, как тем пература, время, тип исходного металла и

li0p(IcTocTb массы карбида бора.

Было замечено, что материалы, полученные согласно настоящему изобретению, с использованием циркония, титана и гафния в качестве исходного металла образуют борид исходного металла, характеризующийся пластинчатой структурой. Эти пластинки типично неупорядочены или хаотически ориентированы, Пластинчатовидная структура и металлическая фаза, по-видимому, вносят оклад в значительной мере в черезвычайно высокую прочность на разрушение этого композиц(1 (нного материала. примерно, 12 МПа м или выше, благодаря механизмам развития трещин при изгибе и-или растяжения.

В другом аспекте изобретения предусмотрена саглоподдерживаемая масса, включая композиционный материал, содержащая матрицу продукта реакции и необязательно металлические составляющие, заливающую о значительной мере инертный наполнитель. Матрица образована реакционной инфильтрацией исходного металла в слой или массу наполнителя, однородно смешанного с карбидом бора. Материал наполнителя может быть любого размера и формы и может быть ориентирован в отношении к исходному металлу любым образом с тем, чтобы направление развития продукта реакции происходило вперед и поглощало по меньшей мере часть (латериала заполнителя без существенного его нарушения или смещения. Наполнитель может состоять из или оключаты)юбой(подходящий материал, такой как керамические и/или металлические волокна, нитевидные кристаллы, частицы, порошки, чечевицеобразные частицы, прутки, проволочные сет ки, жаропрочные ткани, пластинки, плитки, сетчатые пенообразные структуры и тому подобное. Особенно полезным наполнителем является глинозем, но другие оксиды и керамические наполнителя могут быть исПОЛЬЗОВЭНЫ О ЭаоиСИМОСТИ От ИСХОДНЫХ M) териалоо и желаемых конечных свойств.

Обьем наполнителя может быть свободным или связанным упорядочен(ны(л слоем, име- ющим внутренние полос) и, отверстия, поры и тому подобное, чтобы сделать материал наполнителя про((ицаемым для ()нф(лльтрз ции расплавленного исходного металла. Далее, материал наполнителя может бить гомогенным или гетерогенным. Если необходимо, эти материалы могут быть связаны каким-либо подходящим связующим (т.е. авицил РН 105, поставляемый FhllCCO), который Ile вмешивается о течение реакций ñoгласно иэобретени(о или не оставляет какой-либо нежелательный остаточный побоч((ый продукт в конечном компоэиционHoI материале, Наполнитель, который склонен v. взаимодействию с карбидом бора или с расплавленнblì моталлOM прLI проведении процесса. может быгь покрыт с тем, чтобы сделать его и((ертньпл в атмосфере процесса. Например, волокна углерода, используемые в качества наполн.1ãåëë в сочетанин с алюминием как исходным металлом, проявля(от те((денцию к взаимодейстои(о с расплавле((нып(л алюминием, но этой реакции можно избежать, если волокна наполнителя сначала покрыть, например, глиноземом.

Подходящий жарс)прочный конвейер, содержащий исходный металл и слой или обьем напал;(ителя в смеси с карбидом бора, подходяще Ориентирован с тем, чтОбь! позволить реакцион((у(0 инфильтрзци(0 исходного металла о слой (га!)Олнителя и сооТоетствующео развитие компоэиц(лонного материала, помещают о печь и эту упаковку нагрева(от до температуры выше точки плавления (лсходного металла, При таких повышен((ых температурах расплавленный исходный металл инфиль)рирует проницаемый наполнитель по принципудействия фитиля и взаи(лодействует с карбидом бора с получением желаемого керэмического или керамометаллического композиционного материала, Композиционный материал можно ()of)учить согласно настоящему изобретению следующим образом, Карбид бора, вместе с каким-либо инертным материалом наполнителя, изготовлен в виде предварительно сформованной заготовки в форме, соответству(ощей желаемой геометрии конечногO композиционного материала. Предварительно сформованная заготовка находится под предшественником — исходным металлом (1 эта сборка окружена инертным материалом, загруженным о тигель, Верх((яя поверхность исходного металла может быть

1836307

20

55 открыта и подвергаться воздействию окружающей среды или может быть закрыта мэтериалом нэполиителя. Предварительно сформованная заготовка может быть получена любым из традиционных способов формованля керамических масс (такими как одноосевое прессование, изостэтическое прессование, шликерное литье, седимеитационное литье, литье в формы, инжекциониое формование, вытягивание нитей для волокнистых мэтериалов и так далее) в зависимости от характеристик наполнителя, Первоначальное связывание частиц иаполиителя, нитевидных кристаллов, волокон и тому подобного до начала реакционной инфильтрации может быть получено легким предварительным спекэнием или использованием неорганических связующих, которые не вмешива1отся в процесс или не вносят нежелательных побочных продуктов а конечные материалы. Предварительно сформованная заготовка выполнена так, что онэ имеет достаточную целостность формы и прочность до обжига и должна быть проницаемой для переноса расплавленного металла, предпочтительно иметь пористость от 5 до 90 объемных процентов и более предпочтительно от 25 до Т5 объемных процентов. В случае алюминия в качестве исходного металла подходящие материалы иэполнителя включают, например, карбид кремния, диборид титана, глинозем и додекаборид алюминия (среди других) и размеры частиц от 14 до 1000 меш, но могут быть использованы любые смеси материалов наполиителя и с любыми размерами частиц.

Предварительно сфо .анная заготовка

20 контактирует затем с расплавленным исходным металлом на одной или более своих поверхностей в течение времени, достаточного для полной инфильтрации матрицы до граничных поверхностей предварительно сформовэнной заготовки. В результате применения этого метода предварительного формования получают керамометаллическое композиционное издвлиа с формой, близко или точно соответствующей желаемой форме конечного продукта, сводя к минимуму или исключая дорогостоящую конечную механическую обработку или операции шлифования.

Было установлено, что инфильтрация проиицаемого наполнителя исходным металлам стимулируется присутствием карбида бора в иаполиителе. Небольшие количества источника бора. как было показано, являютсл эффективными, но минимальное количество может зависеть от некоторого числа факторов, таких как тип и размер частиц карбида бора, тип исходного металла, тип иэполиителя и условия процесса. Таким обрэзогл, может быть использовано LUü ðîкое разнообразие коиц нTðnöèll карбида бора B иэполии1еле, но чем ниже концентрация карбида борз, тем «ыше об»емный процент металла в матрице. Если используют очень низкие концентрации карбида бора. т.е, от однсго трех ьесовых процентов от бщего веса карбида бора и наполнителя, то полученная матрица является взаимосвязанным металлом и ограниченное количество борида исходного металла и карбида исходного металла диг; пергировано в металле, В отсутствиикарбида бора реакционная инфильтрация нэполнителя может ие произойти и инфильтрация станет невозможной без применения специальных процедур, таких как применение внешнего давления для нагнетания металла о наполнитель.

Благодаря тому, что в способе согласно изобретению может быть использован широкий предел концентрации карбида бора в наполнителе. возможно регулирование или модификация свойств конечного продукта изменением концентрации карбида бора и/или состава слоя наполнителя. Если присутствует лишь небольшое количество карбида бора относительно количества исходного металла, так что масса содержит низкую плотность карбида бора, то в свойствах композиционной массы или в матрице доминируют свойства исходного металла, наиболее типично пластичность и ударная вязкость, поскольку в матрице преобладает металл, Такой металл может быть с пользой применен в области низких или средних температур, Если используют большие количества карбида бора, как например, когда соединение (я) имеющие частицы карбида бора, плотно упакованы вокруг материала наполнителя, или занимают высокий процент объема среди составляющих наполнителя, то полученная масса или матрица по своим свойствам имеют тенденцию доминировать боридом исходного металла и карбидом исходного металла, так что масса или матрица становятся более твердыми или менее пластичными или с меньшей ударной вязкостью. Если стехиометрию строго контролировать с целью дости>кения в значительной мере полного преобразования исходного металла, то полученнь1й продукт будет содержать лишь немного или вообще не содержать металла, что может быть выгодно при применении материала в высокстемпературныхобластях. Итак, в значительной степени полное .преобразование . исходного металла является существенным, особенно для применения в некоторых вы1036307 сокотемпературиых областях, поскольку боридиый продукт реакции является более стабильным, чем карбид бора, так как карбид бора имеет тенденцию реагировать с остаточным или неокисленным металлом, т.е. алюминием, присутствующим в продукте. Если желают, то элементарный углерод может быть смешан со слоем карбида бора или включен в предварительно сформооанную заготовку, содержащусо карбид бора и наполнитель. Этот избыточный углерод, содержание которого типично варьирует от 5 до 10 весовых процентов от общего веса засыпки, взаимодействует с исходным металлом, при этом обеспечивая в значитель ной мере законченную реакцию металла.

Эта реакция металла с углеродом в значительной степени будет зависеть от относительного количества используемого углерода, его типа, т.е. сажа или графит, и кристалличности. Выбор среди таких крайних характеристик может быть весьма желателен, чтобы удовлетворить потребности различных гготенциальиых воэможностей применения этих материалов.

Элементарный бор также может быть смешан со слоем карбида бора (включая и слой наполнителя) для облегчения реакционной инфильтрации, особенно когда используется алюминий о качестве исходного металла. Такого рода смесь снижает стоимость слоя относительно всего бора. приводит к обраэоваиисо продукта, содержащего борокарбид, такой как борокарбид алсомиссия, который обладает некоторыми свойствами, сравнимыми со свойствами Goрида алюминия, и предотвращает образование карбида алюминия, нестабильного о присусствии влаги и поэтому понижающего конструкционные свойства материала. В этой смеси исходный металл взаимодействует с элементарным бором преимущественно с образованием борида металла, но соединение бора также образуется.

Дополнительные изменения свойств и характеристик композиционного материала могут быть достигнуты регулирооассием условий инфильтрации. Изменения, которыми можно манипулировать, включасот природу и размер частиц материала карбида бора и температуру и время инфильтрации. Например, реакционная инфильтрация с вовлечением в процесс крупных частиц карбида бара при минимальтном времени воздействия и низкой температуре приводит к частичному превращению карбида G<>pa e соединение(я) бора исходного металла и соединение углерода исходного металла. И, как следствие, непрореагировавший мате. риал карбида бора остается о микрострукту5

455 ре, который может сообщить нежелательные свойства конечному материалу для некоторых целей применения. Иссфильтрация частиц карбида борз при высоких температурах и длительссых экспозициях (вообще даже оыдержиоасот ири данной температуре до полной инфильтрации) имеет тессдеицию благоприягстоовать о значительной мере полному преоращессссю исходного металла в борид исходного металла и в соединение (я) углерода исходного металла, Предпочтительно праорагцеиие карбида бора в борид исходного металла, боросоединеиие (я) исходного металла и карбид исходного металла cocTBBëÿåò по меньшей мере около 50% Ll наиболее предпочтительно по мессьшей мара 90%. Инфильтрация при высоких температурах (или последующая высакотемпературиая обработка) гакже MQA<0T привести к уплотнеииюссекоторых составляющих композицII<>IIIi<>10 материала в результате процесса спекаиия. В дополисиие. ка оTìечалось ранее, уменьшессие количестоа доступного 11сходного металла ниже. чем необходимо для образования соединения (ий) бора и углерода

Ll заполнешся образовавшихся пустот в ма териале. может приоести к получению пористой массы, которая также может найти полезное применение. В таких композиционных материалах пористос. может варьировать примерно ог 1 до 25 обьемиых процентов, а иссогда и выше, о зависимости от некоторых факторов LI условий, персчисленных оыше.

Следующие ниже примеры илnlocTpLlpyсот новые продукты реакции и способ, которым оии получены, однако эти примеры явлгиотся исключительно иллюстра1иоиыми, ие ограничивающими объема изобретения. Тесты по измерению некоторых свойств образцов материалов, полученных в этих примерах, следусощие:

Тесты иа четырехто ie«IIuL1 изгиб при комнатной температуре доводили иа испытательной м, шиссе "Инстрои" модели 1123 с использооассием процедуры, при:-,ятой о

U,S.Army 1Л3(-STD-1942 (MR). Образцами служили бруски размером,3х4х50, мм. Нагружаемые иоверхсюсти образцов обрабатыоали алмазным кругом с размером зерен . 500 грит и их углы cT<> ieIII,I для устранения заусенец и других дефектов, Стальное зажимное устройство для испытания обрэзцоо имело 20 мм виутрессиий г ролет и 40 мм вссешний пролет. Прочно на изгиб рассчитывали из минималь.ях разрушающих «агруэок и размеров образца Ll фиксированных размеров с использованием уравнений для эластичного пучка.

1836307

Прочность на разрыв определяли испытанием изгибных брусков размеров 5 х 4 х 50 мм, На образце проделывали V-образну«о канавку с заключенным углом 60" па средней «длине образцов ал- 5 маэным диском ширинбй 0,3 мм, Затем проводили испытания прочности на разрыв образцов с V-образной канавкой методом, описанным при испытаниях прочности на изгиб. 10

Плотность определяли взвешиванием и измерением прямоуголь