Способ получения гранулята кремния для аддитивного производства изделий из реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к технологии получения гранулятов керамических порошковых композиций и может быть использовано в производстве керамики, в частности аддитивным способом, в авиационной промышленности и двигателестроении.

Одним из перспективных направлений в керамическом производстве является изготовление изделий из реакционносвязанного нитрида и карбида кремния, поскольку эта керамика обладает рядом уникальных свойств, таких как стойкость к действию высоких температур, химическая стойкость, стойкость к абляции, стойкость к дождевой и песчаной эрозии, высокая механическая прочность.

В качестве исходной шихты для получения керамики на основе реакционносвязанного нитрида и карбида кремния используют тонкодисперсные порошки кремния (d₅₀=5-8 мкм). Традиционные методы (литье в формы, прессование в пресс-формах) позволяют изготавливать изделия с заданными свойствами, но если форма изделия слишком сложная, то проектирование и изготовление литьевых или пресс-форм может потребовать слишком высоких затрат (как временных, так и финансовых). В некоторых случаях форма изделия настолько сложна, что получить литьевую или пресс-форму не представляется возможным. Выходом в данной ситуации может служить использование аддитивных технологий для получения заготовок изделий, дальнейшие термохимические обработки которых позволяют получить керамику на основе реакционносвязанного нитрида или карбида кремния.

Проблема применения аддитивных технологий для получения изделий на основе нитрида или карбида кремния заключается в отсутствии необходимого сырья для автоматических систем подачи и нанесения слоев материала, в таких, аддитивных методах, как селективное лазерное спекание, и послойное распыление связующего. Установки, реализующие такие методы, имеют ряд требований к сырью: размер и форма зерен порошка, его сыпучесть и гранулометрический состав. Как правило, это должен быть порошок с размером частиц до 100 мкм, имеющих околосферическую форму, иметь хорошие свойства сыпучести.

В настоящее время для получения порошков для аддитивного производства используются методы газовой или плазменной атомизации.

Известен способ получения высококачественных сферических порошков из металлов, их сплавов или керамики, имеющей жидкую фазу, размер частиц которых колеблется от 10 до 300 мкм, посредством метода плазменной атомизации (Патент US 5707419 A, опубликованный 15.08.1995).

Недостатком данного способа является его неприменимость для кремниевого сырья, так как размер получаемых этим методом частиц составляет 20-40 мкм, а высокая плотность отдельных частиц порошка при таком размере не позволит провести выполнение процесса реакционного спекания полностью.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения гранулированного порошка для производства спеченных тел из нитрида кремния (Патент US 5854156 A, опубликованный 29.08.1998). В этом способе порошковую композицию на основе нитрида кремния, включающую спекающие добавки, используют для приготовления шликера на водной основе с добавлением органического связующего. В качестве связующего используют поливиниловый спирт (ПВС). С использованием распылительной сушки получают гранулят.

К одному из недостатков данного способа относится то, что в результате гранулы обладают определенным, относительно узким (5-20 мкм), распределением гранул по размерам. Такая фракция обладает недостаточной сыпучестью, что накладывает ограничения на применимость в автоматических системах подачи порошкового сырья аддитивных установок.

Другим недостатком данного способа является его неприменимость для кремниевого сырья, поскольку при распылении кремниевого шликера с помощью распылительной сушилки получаются хрупкие гранулы, неприменимые в автоматических системах подачи порошкового сырья в аддитивных установках.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении гранул кремния околосферической формы заданного гранулометрического состава для получения изделий из реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния сложной формы.

Технический результат достигается тем, что предложен:

1. Способ получения гранулята порошка кремния для аддитивного производства изделий из реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния, включающий приготовление кремниевого шликера на водной основе с добавлением поливинилового спирта, гранулирование и сушку, отличающийся тем, что гранулят сушат до уровня влажности 5-15%, протирают через систему сит с размерами ячеек 400-800 мкм, просушивают до уровня влажности не более 1%, протирают через сито с размером ячеек 100-200 мкм, повторно просушивают до прекращения потери массы, механически обрабатывают и фракционируют через систему сит с размерами ячеек 25-200 мкм при амплитуде колебания сит не менее 0,1 мм до приобретения гранулами сферической формы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическую обработку и фракционирование гранул проводят с добавлением мелющих тел.

Влажность шихты выбирают в диапазоне 5-15%, поскольку при влажности более 15% гранулят протирается через сито не полностью и, размазываясь по ситу, образует гранулы вытянутой формы, а при влажности менее 5% гранулы разламываются на части.

Поскольку гранулы после гранулирования имеют размер от 500 мкм до 5 мм, то для первичной протирки используют систему сит с размером ячеек 400-800 мкм, т.к. ячейки меньшего размера закупориваются влажным гранулятом. Далее гранулят высушивается до уровня влажности не более 1% для дальнейшего протирания через сито с размером ячеек 100-200 мкм, поскольку, при большем уровне влажности, гранулят, прошедший через сито с размерами ячеек 400 мкм закупорит ячейки сита с размерами 100-200 мкм.

Фракционирование проводят для получения фракций заданного размера частиц. Для селективного лазерного спекания подходят фракции 25-40 мкм, 40-63 мкм, 40-100 мкм, а для метода послойного распыления связующего - 63-100 мкм, 100-180 мкм, 100-200 мкм.

Величина колебаний амплитуды сит влияет на время фракционирования порошка. Чем больше амплитуда колебаний сит, тем быстрее проходит фракционирование гранулята, а сами гранулы приобретают более сферическую форму за счет увеличения числа соударений между собой и полотном сита при том же времени просева. В результате фракционирования гранулы приобретают необходимый размер и околосферическую форму, что позволяет использовать гранулят в системах автоматической подачи и нанесения слоев порошка в установках аддитивных методов производства, так как вышеуказанные параметры и форма гранул позволяют наносить гранулят тонкими, ровными и однородными слоями. Так как каждая гранула состоит из отдельных частиц первоначальной порошковой композиции (тонина помола имеет средний размер частиц d₅₀=5-7 мкм), заготовки изделий из данного гранулята, полученные с помощью аддитивных методов, могут в дальнейшем подвергаться термохимическим обработкам. Полученные из гранулята кремния заготовки пригодны для изготовления изделий на основе, как нитридов, так и карбидов кремния.

Пример 1. Порошок кремния заданной тонины помола в необходимом количестве загружают в смеситель-гранулятор. В порошок кремния вводят необходимое количество водного раствора поливинилового спирта так, чтобы массовая доля поливинилового спирта в расчете на кремний составила 0,5%, а массовая доля воды по отношению к общей массе составляла 10%. В течение 10 минут порошок и связующее на водной основе перемешивается и затем в рабочую камеру смесителя-гранулятора подают воздух в небольших количествах. Процесс гранулирования и одновременная сушка продолжается до момента начала пыления гранулята сквозь технологические зазоры в смесителе-грануляторе. К этому моменту влажность гранулята будет составлять 6-8%.

Полученный влажный гранулят, содержащий гранулы протирают последовательно через систему сит из нержавеющего полотна с размерами ячеек 800 и 400 мкм соответственно. Затем полученный гранулят сушат до влажности 0,5% и протирают через сито с размером ячеек 100 мкм. В результате получаются произвольные по форме гранулы. Гранулят дополнительно просушивают до прекращения потери массы.

Далее частицы гранулята проходят фракционирование на просеивающей машине через последовательную систему сит с размерами ячеек 25, 40, 63, 100 мкм. Амплитуду колебаний сит выбирают равной 0,1 мм. Время просева при данной амплитуде колебаний сит составит не менее 6 часов. Выбор времени просева гранулята зависит от качественного результата, оцениваемого с помощью измерения гранулометрического состава приемлемым способом (оценка гранулометрического состава по разности контраста на изображении, полученном с помощью оптического микроскопа). За счет многократных соударений частиц гранулята друг с другом и полотном металлической сетки происходит механическая обработка гранул, за счет чего гранулы принимают околосферическую форму.

Пример 2. В соответствии с полной последовательностью действий примера 1, влажность гранулята составит 10-12%. Полученный влажный гранулят протирают последовательно через систему сит из нержавеющего полотна с размерами ячеек 800, 400 мкм соответственно. Затем полученный гранулят сушат до влажности 1% и протирают через сито с размером ячеек 200 мкм. В результате получаются произвольные по форме гранулы. Гранулят дополнительно просушивают до прекращения потери массы.

Далее гранулят проходит фракционирование на просеивающей машине через последовательную систему сит с размерами ячеек 63, 100, 180, 200 мкм. Время просева при данной амплитуде составляет 30 мин.

Пример 3. В соответствии с полной последовательностью действий примеров 1 и 2 дополнительно для улучшения качества просева и механической обработки используют мелющие тела в виде фарфоровых шариков диаметром 3 мм в количестве 25 штук для сита с диаметром ячеек 63 мкм и 20 штук для сита с диаметром ячеек 40 мкм.

Таким образом, осуществление предлагаемого способа позволяет получать гранулят для применения в аддитивных методах производства и, как следствие, изготавливать изделия сложных форм на основе реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния.