Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов, в частности к способам обработки керамики высокотемпературным деформированием, и может быть использовано в области электротехники, в машиностроении, для изготовления высокоплотных керамических изделий, которые работают при повышенных температурах и под нагрузкой.

Известен способ обработки поликристаллической керамики [патент РФ №1635488, МКП С04В 35/00 от 1996.10.10] путем ее деформирования сжатием при нагреве со скоростью 10^-5-10^-3 с^-1 с последующим охлаждением со скоростью 5200 град/ мин, причем деформирование ведут на воздухе при температуре 0.86-0.99 от температуры ее плавления.

Недостатком данного способа является усложненная технология отжига деформированных образцов на воздухе с дополнительной продувкой кислородом.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления турбинных лопаток [патент РФ №2066253, МКП В21К 3/04 от 1996.09.10], включающий следующие операции: расплав заливается в литейную форму, соответствующую изготовляемой лопатке. Затем полученную отливку целесообразно для гомогенизации отжечь примерно при 1100°С в течение приблизительно 10 часов в атмосфере аргона и охладить до комнатной температуры. После этого удаляют линейную корку и слой окалины, снимая, например, поверхностный слой толщиной около 1 мм механическим или химическим способом. Отливку, очищенную от окалины, помещают в надлежащую капсулу из мягкой углеродистой стали и сваривают последнюю герметичным образом. Затем помещенную в капсулу отливку подвергают изостатическому горячему прессованию при температуре 120°С в течение 3 часов при давлении 120 Па. Отжиг сплава следует в зависимости от химического состава производить при температуре 1000-1100°С в течение не менее полчаса и не более 30 часов. Это же относится и к изостатическому горячему прессованию, которое целесообразно производить при температурах в диапазоне 1200-1300°С и давлении 100-150 МПа в течение не менее 1 часа и не более 5 часов. Затем следует одно- или многократная изотермическая горячая обработка давлением той части отожженной и изостатически горячепрессованной отливки, которая соответствует хвостовику и бандажной пластине с образованием материала мелкозернистой структуры, и термообработка по крайней мере той части отожженной и изостатически горячепрессованной отливки, которая соответствует перу перед изотермической обработкой или после нее с образованием материала крупнозернистой структуры.

Недостатком данного способа является сложность технологического процесса, заключающаяся в изготовлении контейнера, в который затем помещается отливка, длительные отжиги в атмосфере инертного дорогостоящего газа аргона.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения керамических изделий, обладающих высокими термомеханическими свойствами при повышенных температурах.

Для достижения указанного технического результата в способе изготовления керамических изделий, включающем получение заготовки, ее формообразование высокотемпературной деформацией и термообработку, заготовку получают прессованием смеси ультрадисперсных порошков диоксида циркония и оксида алюминия, затем полученную заготовку подвергают предварительному спеканию, далее высокотемпературной деформации в температурном интервале интенсивной динамической рекристаллизации диоксида циркония и последующему отжигу в вакууме.

Кроме того, содержание оксида алюминия в смеси ультрадисперсных порошков составляет от 10 до 80 вес.%.

Кроме того, предварительное спекание проводят при температуре 1300-1550°С с выдержкой не менее 1 часа.

Кроме того, высокотемпературную деформацию проводят, предпочтительно, при температуре 1400-1600°С и давлении 3-10 МПа

Кроме того, отжиг проводят в вакууме при остаточном давлении не ниже 5 10^-5 мм рт.ст. и температуре 1500-1700°С.

В предлагаемом способе изготовления керамического изделия использованы ультрадисперсные порошки диоксида циркония с добавкой оксида алюминия, полученные, например, плазмохимическим синтезом. Из этих порошков получают заготовки и спекают до плотности 70-90% от теоретической. Далее спеченные заготовки подвергаются высокотемпературной деформации для придания изделию заданной формы и размеров. При этом предварительно спеченные до указанной плотности заготовки будут свободно деформироваться, уплотняться и приобретать заданную форму. Этому будет хорошо способствовать малый размер зерна до 0,5 мкм в керамическом материале. Также при высокотемпературной деформации в материале будут развиваться процессы динамической рекристаллизации, увеличивающие скорость деформации. Под нагрузкой при высокотемпературной деформации в материале будет протекать формоизменение зерен оксида алюминия. При высокотемпературной деформации зерна оксида алюминия будут изменять свою форму - от округлой до разветвленной формы. Такая разветвленная форма частиц оксида алюминия будет эффективно препятствовать быстрой деформации керамического материала под нагрузкой, по механизму зернограничного проскальзования.

Затем полученное высокотемпературной деформацией изделие с заданными размерами, формой и плотностью подвергают рекристаллизационному отжигу в вакууме. Отжиг проводят до получения размера зерна в керамическом материале порядка 1.5-5 мкм.

В результате рекристаллизационного отжига в вакууме в керамическом материале формируется микроструктура с размером зерна, значительно превышающим критический для данного типа керамики.

В керамических материалах на основе диоксида циркония с добавками оксида алюминия критический размер зерна не превышает 1.5 мкм. В том случае, если размер зерна превышает критический, то в материале протекает самопроизвольное тетрагонально-моноклинное превращение, сопровождающееся увеличением объема, приводящее к разрушению материала. В заявляемом способе удается получить материал с размером зерна, значительно превышающим критический до 5 мкм, и сохранить 100% содержание тетрагональной фазы. Это достигается за счет дополнительной стабилизации тетрагональной фазы кислородными вакансиями в диоксиде циркония и поэтому не происходит самопроизвольного тетрагонально-моноклинного превращения, что и обеспечивает получение крупного зерна в материале.

При этом материал с такой структурой будет обладать повышенными термомеханическими свойствами при высоких температурах. Увеличению механических свойств при повышенных температурах (сопротивление высокотемпературной деформации) будет способствовать разветвленная форма частиц оксида алюминия.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Ультрадисперсный порошок диоксида циркония с добавкой оксида алюминия от 10 до 80 вес.%, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 200-300 МПа. Может быть использован плазмохимический порошок диоксида циркония, стабилизированный различными оксидами, например оксидом иттрия. Далее заготовку спекают либо в вакууме, либо на воздухе до плотности 70-90% от теоретической. При этом температура спекания варьируется от 1300 до 1550°С с изотермической выдержкой от 0 до 1 часа. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров с плотностью керамического материала, близкой к теоретической. Высокотемпературную деформацию проводят в температурном интервале интенсивной динамической рекристаллизации диоксида циркония, предпочтительно, при температуре 1400-1600°С и давлении 3-10 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу до получения размера зерна 1.5-5 мкм. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1500-1700°С в течение 1-10 часов. Изделие сохраняет первоначальные размеры и имеет хорошие термомеханические свойства.

Предпочтительные примеры конкретного выполнения.

Пример 1

Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия, с добавкой 10 вес.% оксида алюминия, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 200 МПа. Далее заготовку спекают в вакууме при температуре 1300°С с изотермической выдержкой в течение 1 часа. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров. Высокотемпературную деформацию проводят при температуре 1400°С и давлении 3 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1400°С в течение 10 часов. Изделие, изготовленное по данному примеру, обладает следующими свойствами: твердость по Виккерсу: 13-14 ГПа, предел прочности при изгибе: 1000-1100 МПа, размер зерна: 1.5-2.5 мкм, скорость деформации при Т 1600°С - 10^-5 с^-1.

Пример 2

Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок, содержащий 20 вес.% диоксида циркония и 80 вес.% оксида алюминия, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 300 МПа. Далее заготовку спекают в вакууме при температуре 1550°С с изотермической выдержкой 0.5 часа. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров. Высокотемпературную деформацию проводят при температуре 1500°С и давлении 10 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1600°С в течение 5 часов. Изделие, изготовленное по данному примеру, обладает следующими свойствами: твердость по Виккерсу: 16-17 ГПа, предел прочности при изгибе: 900-950 МПа, размер зерна: 2.5-3.5 мкм, скорость деформации при Т 1600°С - 10^-4 с^-1.

Пример 3

Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия, с добавкой 50 вес.% оксида алюминия, засыпают в пресс-форму и прессуют заготовку при давлении 250 МПа. Далее отпрессованную заготовку спекают на воздухе при температуре 1400°С без выдержки. Затем спеченную заготовку подвергают высокотемпературной деформации для получения изделия заданной формы и размеров. Высокотемпературную деформацию проводят при температурах 1600°С и давлении 6 МПа. После высокотемпературной деформации изделие подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. Отжиг проводят в вакууме при температуре 1700°С в течение 1 часа. Изделие, изготовленное по данному примеру, обладает следующими свойствами: твердость по Виккерсу: 15-16 ГПа, предел прочности при изгибе: 980-1100 МПа, размер зерна: 4.5-5 мкм, скорость деформации при Т 1600°С - 10^-3 с^-1.

Изделия, полученные по разработанной технологии, обладают высокими механическими свойствами вплоть до температуры 1750°С.