СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБОСИЛИЦИДА ТИТАНА

Изобретение относится к производству высокотемпературных композиционных материалов, работающих в условиях экстремальных температур, повышенных нагрузок и агрессивных, ядовитых и радиоактивных сред, может найти применение в порошковой металлургии, в химической, энергетической, нефтедобывающей и газодобывающей промышленности, в машиностроении.

Известно получение карбосилицида титана при твердофазном синтезе в условиях вакуума и при избытке кремниевой составляющей. На промежуточных стадиях синтеза из материала испарением удаляют избыток элементарного кремния (Получение Ti₃SiC₂ / П.В. Истомин, А.В. Надуткин, Ю.И. Рябков, Б.А. Голдин // Неорганические материалы, 2006, том 42, №3. С. 292-297). Недостатком является сложность регулирования содержания примесных фаз за счет введения в исходную шихту избытка кремниевой составляющей, а также необходимость последующих операций измельчения, прессования и спекания, или горячего прессования для получения изделий.

Для получения материалов на основе карбосилицида титана могут быть использованы методы реакционного горячего прессования (Synthesis and Characterization of a Remarkable Ceramic: Ti₃SiC₂ / Barsoum M.W., El-Raghy T. // J.Am.Ceram.Soc. l996. V. 79. P. 1953-1956). Недостатком являются высокие энергозатраты при получении материала.

Известен синтез 312-фаз и композитов на их основе по патенту США №5942455, С01В 35/04, 1999. Процесс получения продукта включает создание смеси из переходного металла, в качестве которого используется титан или гидрид титана, соединения кремния и соединения углерода. Вторым этапом процесса получения продукта на основе карбосилицида титана является реакционное горячее прессование указанной смеси, максимальная температура которого 1800°C, максимальное давление - 200 МПа. Конечный продукт содержит примесей около 5%, имеет плотность, близкую к теоретической плотности. Недостатком являются высокие энергозатраты и сложность технологического оборудования, обеспечивающего данные режимы.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ получения композиционного материала, в котором порошковую смесь, состоящую из титана, карбида кремния, углерода и 3-7 мас. % наноразмерного оксида алюминия, подвергают механосинтезу в вакуумированной мельнице, после чего проводят холодное прессование и горячее прессование при 5-15 МПа (см. патент РФ №2410197, МПК B22F 3/14; C22G 1/05; С22С 29/18; В82В 3/00, опубл. 27.01.08 г.).

Недостатками способа-прототипа является высокое содержание примесей карбидов и силицидов титана, а также трудоемкость и энергоемкость процесса.

Задачей создания изобретения является разработка более простого способа получения высокотемпературного композиционного материала на основе карбосилицида титана, содержащего нанопорошки оксидов алюминия, свободного от недостатков прототипа.

Поставленная задача решается с помощью признаков 1-го пункта формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающий приготовление порошковой смеси, состоящей из порошков титана, карбида кремния и графита и нанопорошка оксида алюминия, механосинтез порошковой смеси и холодное прессование смеси, и отличительных существенных признаков, таких как используют порошок титана с размером частиц 100-300 мкм, порошок карбида кремния с размером частиц 10-100 мкм, порошок графита с размером частиц 1-10 мкм, при этом холодное прессование смеси проводят при давлении 300 МПа, а после холодного прессования проводят плазменно-искровое спекание при температуре 1300-1500 град. С.и давлении 30 МПа.

Согласно п. 2 формулы изобретения в качестве нанопорошка оксида алюминия используют порошок α-Al₂O₃ с размером частиц 20 нм, при этом механосинтез ведут в вакуумируемой планетарной мельнице.

Согласно п. 3 формулы изобретения механосинтез порошковой смеси ведут в течение 2-3 ч в вакуумируемой мельнице при частоте вращения барабана мельницы 320 об/мин в прерывистом режиме, с размолом в течение 20-30 мин и перерывом в течение 1 часа.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение способа, снижение содержания примесей карбидов и силицидов титана, снижение пористости материала, а также снижение энерго- и трудоемкость процесса консолидации.

В предлагаемом способе получения материала на основе карбосилицида титана, смесь порошков титана с размером частиц 100-300 мкм, карбида кремния с размером частиц 10-100 мкм, графита с размером частиц 1-10 мкм и α-Al₂O₃ с размером частиц ~20 нм перед термомеханической обработкой подвергаются механосинтезу (МС) в планетарной вакуумируемой мельнице. Размер частиц оксида алюминия выбран в соответствии с требованиями максимально равномерного распределения добавки по объему материала.

Пример. Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана заключается в следующем.

Для приготовления исходной смеси берут порошки титана с размером частиц 100-300 мкм, карбида кремния с размером частиц 10-100 мкм, графита с размером частиц 1-10 мкм и α-Al₂O₃ с размером частиц ~20 нм. Исходную смесь порошков титана, карбида кремния, графита (в мольном соотношении 3:1,25:0,75) и 3÷7% нанопорошков Al₂O₃ помещают в кювету планетарной мельницы совместно с мелющими шарами в соотношении 1:30, вакуумируют до остаточного давления менее 1 Па. Для механосинтеза используют планетарную мельницу «Санд». Механосинтез проводят при частоте вращения барабана мельницы 320 об/мин в прерывистом режиме. Указанные параметры обеспечивают подвод к частицам энергии, необходимой для активации процессов образования новых фаз. При частоте вращения барабана мельницы менее 260 об/мин образования карбосилицида не происходит, т.к. энергии мелющих тел недостаточно для активации энергии синтеза. При частоте вращения барабана более 330 об/мин происходит интенсивный разогрев смеси и ее налипание на стенки кюветы мельницы, что препятствует процессу механосинтеза. При оптимальной частоте вращения барабана мельницы 320 об/мин оптимальное время механосинтеза - 20-30 мин, охлаждение - в течение 1 часа.

Затем проводят холодное прессование при 300 МПа с последующим плазменно-искровым спеканием при температурах 1300-1400 град. С, давлении 30 МПа. Нагрузку прикладывают непосредственно перед началом нагрева, нагрев ведут со скоростью 80 град./мин.

Данным способом получают материал плотностью в интервале 4,3-4,5 г/см³ в зависимости от содержания Al₂O₃. Плазменно-искровое спекание позволяет достичь большей плотности по сравнению с горячим прессованием. Поэтому материал будет обладать более высоким комплексом физико-механических свойств.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что полученный материал содержит до 97% карбосилицида титана (Фиг. 1). Измерения пористости дают величину около 2%, что достаточно мало для получения высоких механических свойств материала. Структура материала состоит из продолговатых зерен карбосилицида без преимущественной ориентации (Фиг. 2). Ширина зерен 0,2-0,8 мкм, длина около 2 мкм. Зерна имеют характерную для карбосилицида титана слоистую структуру.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить композиционный материал, содержащий наночастицы оксида алюминия с высокой плотностью при снижении энергозатрат и упрощении технологичности процесса.

Данное описание рассматривается как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.