×
29.11.2019
219.017.e763

Способ формования заготовок изделий сложной формы из порошка кремния

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии лазерного синтеза керамики методом селективного лазерного спекания (СЛС), и может быть использовано в авиационной промышленности и двигателестроении. Способ формования объемных заготовок изделий сложной формы из порошка кремния методом селективного лазерного спекания включает послойное нанесение порошка кремния, обработку каждого слоя лазерным излучением в воздушной атмосфере. Лазерную обработку порошка кремния проводят при плотностях энергий лазерного излучения 0,5-33 Дж/мм и непрерывном обдуве воздухом области спекания. Обеспечивается формование заготовок изделий без усадки из порошка кремния методом селективного лазерного спекания, причем полученные заготовки пригодны для дальнейшей термической обработки и получения изделий на основе реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния. 1 ил., 2пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии лазерного синтеза керамики методом селективного лазерного спекания (СЛС) и может быть использовано в авиационной промышленности и двигателестроении.

Одним из перспективных направлений в производстве керамики является изготовление изделий из нитридов и карбидов кремния. Это связано с превосходными свойствами такой керамики: стойкость к действию высоких температур, химическая стойкость, стойкость к абляции, стойкость к дождевой и песчаной эрозии, высокая механическая прочность. 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 может оказаться настолько сложной, что получить литьевую или пресс-форму не представляется возможным. Выходом в данной ситуации может служить использование аддитивных технологий для получения заготовок изделий сложной формы, дальнейшие термохимические обработки которых, позволяют получить керамику на основе нитридов или карбидов.

Известен способ получения технологических заготовок керамических изделий из нитрида кремния, включающий подготовку шихты путем перемешивания в дисковой мельнице нитрида кремния с добавками оксида иттрия и оксида алюминия при соотношении оксидов 3:5, при этом суммарное количество оксида иттрия и оксида алюминия составляет 15 мас. % от общего количества шихты. Полученную шихту подвергают холодному изостатическому прессованию при давлении в 200 МПа в силиконовых эластичных пресс-формах с выдержкой 90 с. Спекание заготовки осуществляют в атмосфере азота со скоростью нагрева 525°С/ч и дальнейшей выдержкой в течение 1 часа при температуре спекания 1650°С. Известный способ позволяет получать заготовки сложной формы и большого размера. (Патент RU 2641358, C04B 35/591, опубликованный 17.01.2018).

Недостатком известного способа является сложность, а в некоторых случаях невозможность, изготовления пресс-форм, если форма изделия достаточно сложная. Если форма содержит узлы не центрально-симметричной геометрии, то в результате засыпки порошка, с последующей его утрамбовкой в форме, будут образовываться неоднородности по плотности, и в частности, итоговый спрессованный сырец будет иметь неоднородности в плотности материала, и, как следствие, возникнет анизотропия прочностных свойств. Кроме того, изготовление формы требует значительных временных затрат, что увеличивает время выхода продукта на рынок.

Еще одним способом формования керамических объектов является метод непрямого селективного лазерного спекания. Известен способ изготовления керамических деталей сложной формы из оксида алюминия (Liu К., Indirect selective laser sintering of epoxy resin - Al2O3 ceramic powders combined with cold isostatic pressing. // Ceramics International, 40(2014), 7099-7106). Данный способ включает в себя подготовку исходного сырья, объединяющую распылительную сушку с механическим перемешиванием для приготовления порошковой композиции, состоящей из 1,5% массовой доли поливинилового спирта (ПВС), 8% массовой доли эпоксидной смолы (ER06) и оксида алюминия. Селективное лазерное спекание данной порошковой композиции используется для формования сырца (англ. greenbody), за счет спекания легкоплавкого полимерного связующего (эпоксидная смола). Для снижения пористости сырцов используется холодное изостатическое прессование. Для получения итоговых изделий необходимо провести процесс удаления связующего и процесс спекания. После спекания относительная плотность изделий может достигать 92% и выше, усадка по всем направлениям не превышает 32,5%.

Одним из недостатков является то, что изделия полученные данным способом имеют усадку, иногда значительную, что требует введение дополнительных корректировок на начальных этапах отработки формования. Кроме того, необходим дополнительный этап подготовки исходного сырья, во время которого керамику покрывают связующим.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения формованного керамического объекта методом селективного лазерного плавления (Патент ЕР 2276711, опубликованный 10.09.2014). В известном способе, для получения формованного керамического объекта, используется послойное наращивание из порошкового материала, содержащего, по меньшей мере, два керамических вещества, которые образуют эвтектическую систему, где каждый слой полностью расплавляется с помощью лазерного излучения по всей толщине слоя в заранее определенной области, соответствующей области поперечного сечения объекта.

Недостатком данного метода для получения керамик на основе нитридов и карбидов кремния является процесс полного плавления исходной порошковой композиции. Керамики на основе нитридов и карбидов не образуют жидкую фазу при нормальных условиях. В случае применения процесса селективного лазерного плавления к кремниевой шихте в воздушной атмосфере образуется объект из монолитного материала на основе кремния и диоксида кремния. В свою очередь подобный материал не применим для последующей термообработки в атмосфере азота, поскольку процесс диффузии азота экспоненциально затухает пропорционально глубине проникновения азота в толщу материала, при этом характерные толщины протекания реакции азотирования составляют порядка 10-20 мкм.

Задачей предлагаемого изобретения является реализация формования заготовок изделий без усадки из порошка кремния методом селективного лазерного спекания, пригодных для дальнейшей термической обработки и получению изделий на основе реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния.

Указанная задача достигается тем, что предложен способ формования объемных заготовок изделий сложной формы из порошка кремния методом селективного лазерного спекания, включающий послойное нанесение порошка кремния, обработку каждого слоя лазерным излучением в воздушной атмосфере, отличающийся тем, что лазерную обработку порошка кремния проводят при плотностях энергий лазерного излучения 0,5-33 Дж/мм2, при непрерывном обдуве воздухом области спекания.

Данный способ позволяет получать пористые заготовки изделий без усадки из кремния и диоксида кремния с формой, недостижимой традиционными методами.

Предлагаемый способ формования заготовок изделий из порошка кремния осуществляют следующим образом: с помощью специального программного обеспечения на компьютере создается трехмерная модель изделия, которая разбивается на отдельные плоские сечения, по которым будет происходить сканирование лазерным лучом. Порошок кремния (размер частиц составляет 40-100 мкм) загружается в бункер подачи установки лазерного спекания. Основанием для строящейся заготовки изделия является плита, установленная в бункере спекания. После того, как поршень в бункере подачи поднимается вверх и выдавливает объем порошка, необходимый для нанесения одного слоя (от 60 до 200 мкм), вал (или нож) наносит этот порошок на плиту в бункере спекания, лазерный луч проходит по выровненному слою в соответствии с текущим сечением изделия, плита опускается на высоту слоя. Далее процесс повторяется, что приводит к скреплению слоев, и так до полного построения заготовки изделия. Способ позволяет получать заготовки изделий с формой практически любой сложности. Для количественной оценки различных режимов спекания может служить величина поверхностной плотности энергии, которая зависит от таких параметров как: мощность лазерного излучения, скорость сканирования лазерным лучом, расстояние между отдельными векторами, полученными после сканирования. Величину поверхностной плотности энергии можно рассчитать по формуле:

где P - мощность лазерного излучения, V - скорость сканирования лазерным лучом, d - расстояние между отдельными векторами. Отличие предлагаемого способа заключается в том, что параметры лазерной обработки выбираются таким образом, чтобы подаваемой энергии было достаточно для протекания химической реакции окисления кремния - , но недостаточно для полного плавления кремния. Полное плавление кремния негативно влияет на дальнейшую термообработку в газовых средах, необходимую для получения конечного изделия из керамики на основе реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния. При полном плавлении, химическая реакция кремния с газовыми средами протекает только на поверхности заготовки, что не позволяет получить керамику на основе реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния. Диапазон поверхностной плотности энергии подбирается экспериментально исходя из нескольких критериев. Во-первых, возможность окисления кремния, что подразумевает наличие воздушной атмосферы в камере спекания и непрерывный обдув воздухом области спекания. Во-вторых, возможность скрепления отдельных частиц порошка и слоев друг с другом для получения качественной микроструктуры заготовки изделия. Поверхностная плотность энергии, соответствующая этим критериям, находится в диапазоне 0,5-33 Дж/мм2. Схема скрепления отдельных частиц порошка и слоев друг с другом выглядит следующим образом: образующаяся в результате термохимической реакции на поверхности частиц кремния аморфный диоксид кремния (жидкая фаза) протекает между частицами порошка и связывает отдельные частицы порошка кремния друг с другом. Оставшийся в заготовках кремний не сплавляется в крупные монолитные капли, а остается в виде отдельных зерен, соединенных «перемычками» диоксида кремния, образуя пористую структуру, за счет чего сохраняется возможность для кремния вступать в химические реакции с газовыми средами при дальнейших термохимических обработках, необходимых для получения изделий из керамики на основе реакционносвязанных нитридов и карбидов кремния.

Пример 1. Формование заготовок изделий на основе кремния и диоксида кремния. В экспериментах для получения заготовок изделий на основе кремния и диоксида кремния использовался гранулят кремния. Размер частиц гранулята кремния составляет <100 мкм.

Просушенный гранулят кремния располагают в установке лазерного спекания и далее проводят лазерную обработку послойно формируемой заготовки изделия при совмещении процессов СЛС и окисления кремния при следующих параметрах: мощность лазерного излучения Р=17,6 Вт, скорость сканирования лазерного пучка по поверхности порошка V=80 мм/с, диаметр пучка лазерного излучения d=70 мкм. Непрерывная подача воздуха и необходимый уровень энергии лазерного излучения реализуют процесс окисления и способствуют спеканию частиц и отдельных слоев друг с другом.

В результате одновременного воздействия СЛС и окисления кремния получены пористые заготовки изделий сложной формы со следующими размерами: диаметр 100 мм, высота 20 мм, толщина стенок между ячейками 1 мм), не имеющие усадки и пригодные для получения реакционносвязанных карбидов и нитридов кремния (фиг.).

Пример 2. Формование заготовок изделий аналогичное описанному в примере 1, но при использовании следующих параметров: мощность лазерного излучения Р=14,7 Вт, скорость сканирования лазерного пучка по поверхности порошка V=20 мм/с, диаметр пучка лазерного излучения d=70 мкм.

В результате получены пористые заготовки изделий, отличающиеся большей объемной долей диоксида кремния, в сравнении с аналогичными заготовками из примера 1.

Предлагаемый способ позволяет получать пористые заготовки изделий без усадки из кремния и диоксида кремния с формой, недостижимой традиционными методами. Дальнейшие термохимические обработки в газовых средах этих заготовок позволяют получать изделия на основе реакционносвязанных карбидов и нитридов кремния.

Способ формования объемных заготовок изделий сложной формы из порошка кремния методом селективного лазерного спекания, включающий послойное нанесение порошка кремния, обработку каждого слоя лазерным излучением в воздушной атмосфере, отличающийся тем, что лазерную обработку порошка кремния проводят при плотностях энергий лазерного излучения 0,5-33 Дж/мм и непрерывном обдуве воздухом области спекания.
Способ формования заготовок изделий сложной формы из порошка кремния
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 136.
10.10.2015
№216.013.80e9

Быстроразъемное соединение отсеков корпуса летательного аппарата

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, в частности к конструкциям герметичных разъемных соединений отсеков корпуса летательных аппаратов и, в особенности, к конструкциям герметичного соединения обтекателя с отсеком корпуса летательного аппарата. Быстроразъемное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564598
Дата охранного документа: 10.10.2015
10.10.2015
№216.013.824b

Способ изготовления трехслойной панели из композиционного материала

Изобретение относится к способам изготовления трехслойных панелей из композиционного материала и может быть использовано для получения панелей авиационной и космической техники, например для изготовления корпусных деталей фюзеляжа самолета. При формировании первой обшивки трехслойной панели по...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564952
Дата охранного документа: 10.10.2015
20.10.2015
№216.013.853c

Способ изготовления сотового заполнителя

Изобретение относится к способу изготовления сотового заполнителя из стеклоткани и может быть использовано в ракето-, самолето- и судостроении, строительной, мебельной и упаковочной промышленности при изготовлении трехслойных конструкций сложной кривизны. Способ включает нанесение клеевых полос...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002565711
Дата охранного документа: 20.10.2015
20.12.2015
№216.013.9b89

Способ тепловых испытаний обтекателей ракет из неметаллических материалов

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА) и может быть использовано для проектирования аэродинамического теплового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях. Предлагаемый способ воспроизведения аэродинамического нагрева...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571442
Дата охранного документа: 20.12.2015
27.02.2016
№216.014.bf1e

Способ получения полидисперсного порошка карбида бора

Изобретение относится к производству неорганических соединений, конкретно к карботермическому способу получения полидисперсных порошков карбида бора, предназначенных для получения на их основе абразивных порошков для шлифования и ударопрочной керамики. Способ включает смешивание борной кислоты...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002576041
Дата охранного документа: 27.02.2016
10.05.2016
№216.015.3bbc

Способ теплового нагружения обтекателей ракет из неметаллических материалов

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на головную часть (обтекатель) ракеты в наземных условиях. Сущность: осуществляют воспроизведение аэродинамического силового и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583353
Дата охранного документа: 10.05.2016
20.05.2016
№216.015.3f07

Способ контроля узла соединения керамического обтекателя

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА). Сущность: осуществляют силовое нагружение на сдвиг и измерение деформаций соединения. Силовое нагружение прилагают вдоль оси симметрии обтекателя через пуансон с упругой прокладкой, наружная поверхность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584439
Дата охранного документа: 20.05.2016
13.01.2017
№217.015.6b5c

Устройство для измерения толщины стенки детали типа оболочка вращения

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения, а именно к устройствам для измерения толщины стенок пустотелых деталей вида оболочек вращения. Устройство для измерения толщины стенки детали типа оболочка вращения содержит основание с направляющими, на котором размещены...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592725
Дата охранного документа: 27.07.2016
13.01.2017
№217.015.6c04

Клиновое соединение

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для соединения полых трубчатых деталей и узлов конструкций ракет, эксплуатируемых в условиях воздействия высоких температур и вибраций, и направлено на повышение надежности соединения деталей и снижение трудоемкости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592767
Дата охранного документа: 27.07.2016
13.01.2017
№217.015.70c9

Способ получения высокотермостойкого радиопрозрачного материала (изделия) на основе фосфатного связующего и кварцевой ткани

Изобретение относится к области получения высокотермостойких радиопрозрачных материалов. Технический результат изобретения заключается в защите стеклоткани от термодеструкции, обеспечении диэлектрических и прочностных характеристик материала в режимах одностороннего нагрева до 1200°C при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596619
Дата охранного документа: 10.09.2016
Показаны записи 1-3 из 3.
19.01.2018
№218.016.05e8

Способ измерения параметров диэлектриков при нагреве и устройство для его осуществления

Использование: для измерения параметров диэлектриков при нагреве. Сущность изобретения заключается том, что способ измерения параметров диэлектриков при нагреве в объемном резонаторе на фиксированной частоте включает возбуждение колебаний в резонаторе через расположенные в верхней торцевой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631014
Дата охранного документа: 15.09.2017
06.12.2019
№219.017.ea2f

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

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. Технический результат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708003
Дата охранного документа: 03.12.2019
09.03.2020
№220.018.0adb

Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано преимущественно в конструкциях радиопрозрачных антенных обтекателей, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН). Сущность заявленного решения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716174
Дата охранного документа: 06.03.2020
+ добавить свой РИД