Результат интеллектуальной деятельности: Способ прочного соединения изделий из графита

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано для герметичного соединения изделий из графита различной формы с обеспечением малой газопроницаемости и высокой стойкости к повышенным температурам. Соединение графитовых деталей между собой требуется при создании из них блоков или при изготовлении изделий из графитов с различными физико-механическими свойствами.

Одним из самых распространенных способов соединения графитовых деталей является склеивание замазками и клеями. Этот способ требует тщательной подгонки соприкасающихся поверхностей. Однако, с помощью клеев не удалось создать ни механически прочных, ни газонепроницаемых соединений, способных работать при температурах свыше 700°С.

Известен способ (А.с. СССР №199116, МПК С01В, C09J, опубл. 09.07.1966 г., бюлл. №14) сварки графита с графитом, включающий погружение исходных изделий в ванну с жидкими углеводородами (на примере трансформаторного масла) и дальнейший нагрев места соединения током до 1250°С в течение 1,5 мин. [1]. Недостатком известного способа являются возможность воспламенения масла при существенно более низкой температуре (состав среды, в которой производится нагрев, в описании изобретения не указан). Кроме того, время выдержки при нагреве по способу [1] представляется неоправданно малым, поскольку проникновение атомов углерода из слоя углеводорода в графит лимитируется скоростью их диффузии в твердой фазе, которая не может быть столь быстрой, как в процессах реакционного спекания.

Известен способ (Патент RU 2617105, МПК B01D 39/00, опубл. 20.04.2017) изготовления изделия с фильтром для агрессивных жидкостей и газов, включающий пропитку углеграфитовой ткани расплавленным кремнием, отличающийся тем, что перед пропиткой слой (слои) углеграфитовой ткани приклеивают слоем поливинилацетата к торцевой поверхности втулки или кольца из силицированного графита, измельченный кремний засыпают на поверхность слоя (слоев) ткани, а затем проводят нагрев в среде вакуума при температуре, превышающей точку плавления кремния [2]. Недостатком способа является то, что он не предусматривает соединение между собой двух или более графитовых деталей.

Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип является способ соединения графитовых деталей (А.с. СССР №191706, МПК Н05В, опубл. 25.01.1967 г., бюлл. №4), включающий сварку состыкованных деталей с использованием вводимой в шов присадки [3].

Общим с заявляемым изобретением признаком является плавление вводимой в шов присадки. К недостаткам способа [3] относятся необходимость перемещения сварочного электрода относительно внешней поверхности соединяемых деталей, предварительное выполнение сварочных катетов, а также неизбежность локального перегрева графита в узкой области, что может привести к механическому разрушению конструкции.

Техническим результатом заявляемого способа является получение изделия из двух или более графитовых деталей, соединенных в малогазопроницаемый и стойкий к повышенным температурам блок с одновременным упрощением технологии его изготовления.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем сварку состыкованных деталей с использованием присадки, вводимой в шов, перед сваркой (реакционным спеканием) на торцевые поверхности подлежащих соединению деталей наносят слои поливинилацетата в которые механически втирают молотый кремний, затем склеивают детали через прокладку из тонкого углеродного войлока, после высыхания клея полученную заготовку помещают в герметичную печь и проводят нагрев до температуры, превышающей точку плавления кремния, в среде вакуума или инертного газа. Нанесение слоев поливинилацетата [-СН₂-СН(ОСОСН₃)-]_n, являющегося источником углерода после нагрева в бескислородной среде, проводится механически при комнатной температуре. Данный клей является общедоступным и дешевым продуктом. Затем в слои клея также механически втирается молотый кремний. Эти операции проводятся на воздухе при комнатной температуре, что упрощает технологию. Для склеивания деталей используются прокладки из тонкого и не пропитанного пироуглеродом углеродного войлока, предварительно вырезанные по поверхности меньшей из подлежащих соединению деталей. Прокладки могут быть пропитанными водным раствором поливинилацетата для лучшего склеивания. После взаимного прижатия всех деталей проводится выдержка для высыхания клея. Затем заготовка блока помещается в герметичную печь и проводится нагрев внешним нагревателем до температуры, превышающей точку плавления кремния. При этом протекает полное силицирование прокладки и частичное - поверхности графита вблизи стыка по реакции Si+С=SiC. Для предотвращения окисления нагрев проводится в вакууме или среде инертного газа. После охлаждения полученный блок извлекается из печи. Важным преимуществом предложенного способа по сравнению с прототипом является приблизительно одинаковая температура всех частей блока, что снижает вероятность его разрушения от термонапряжений. Газопроницаемость полученного блока соответствует газпроницаемости соединенных в нем графитовых деталей. Максимальная температура использования в инертной среде - 1350°С, а на воздухе определяется предельной температурой эксплуатации входящего в состав блока графита.

Пример

Проводили соединение двух труб из графита МПГ-6 длиной 200 мм, внутренним диаметром 42 мм и внешним - 51 мм, что было вызвано ограничениями на продольный размер заготовок промышленно выпускаемого высокоплотного графита. На подлежащие соединению торцевые поверхности каждой из труб механически нанесли толстые слои чистого поливинилацетата, в которые немедленно втерли порошок кремния, прошедший через сито с ячейкой 400 мкм. Предварительно вырезанное кольцо из мягкого углеродного войлока толщиной 1 мм, внутренним диаметром 42 мм и внешним - 51 мм, погрузили в 10% водный раствор поливинилацетата, извлекли его из раствора и зажали между покрытыми кремнием торцами труб с помощью струбцины. После 2-х часовой выдержки полученную заготовку блока поместили в полость графитового нагревателя установки «Силикар-Ф» и в вакууме провели нагрев до температуры 1450°С. После естественного охлаждения извлекли блок из двух соединенных труб и освободили его от струбцины. Дальнейшие испытания показали, что полученный блок не разрушается при нагреве в инертной среде до температуры несколько выше 1350°С.