способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающий получение порошковой смеси, состоящей из титана, кремния, углерода или соединений, их содержащих, и горячее прессование смеси, отличающийся тем, что порошковую смесь подвергают механосинтезу в вакуумированной мельнице при частоте вращения барабана 260-330 об/мин, а горячее прессование проводят при температуре 1350-1450°С, давлении прессования 10-15 МПа и выдержке 0,5-3 ч в вакууме или в атмосфере инертного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вакуумированной мельницы используют планетарную мельницу, механосинтез проводят при массовом соотношении смеси и мелющих шаров мельницы 1:30, при частоте вращения барабана 320 об/мин, в прерывистом режиме.

Описание изобретения к патенту

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. (П.В.Истомин, А.В.Надуткин, Ю.И.Рябков, Б.А.Голдин «Получение Ti₃ SiС₂» Неорганические материалы. - Изд. Наука, 2006, том 42, № 3, с.292-297). Недостатком является сложность регулирования содержания примесных фаз за счет введения в исходную шихту избытка кремниевой составляющей.

Для получения материалов на основе карбосилицида титана могут быть использованы методы реакционного горячего прессования (Barsoum M.W., El-Raghy Т. Synthesis and Characterization of a Remarkable Ceramic: Ti ₃SiC₂ // J. Am. Ceram. Soc. 1996. V.79. P.1953-1956). Недостатком являются высокие энергозатраты и сложность технологического оборудования.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран синтез 312-фаз и композитов на их основе по патенту США на изобретение № 5942455, С01В 35/04, 1999. Процесс получения продукта включает создание смеси из переходного металла, в качестве которого используется титан или гидрит 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°С, 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.

Техническим результатом заявляемого технического решения является снижение энергозатрат, повышение технологичности процесса при получении высококачественного композиционного материала с высокой плотностью и высоким содержанием карбосилицида титана.

Технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающем создание порошковой смеси, состоящей из титана, кремния, графита или соединений, их содержащих, и горячее прессование смеси, согласно изобретению, порошковую смесь подвергают механосинтезу в вакуумированной мельнице при частоте вращения барабана 260-330 об/мин, горячее прессование проводят при температуре 1350-1450°С, давлении прессования 10-15 МПа, выдержке 0,5-3 часа в вакууме или в атмосфере инертного газа. В качестве вакуумированной мельницы используют планетарную мельницу, механосинтез проводят при массовом соотношении смеси и мелющих шаров мельницы 1:30, при вращении барабана в прерывистом режиме.

Технический результат обеспечивается за счет введения в способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана обработку порошковой смеси механосинтезом в вакуумированной мельнице. Процесс механосинтеза включает гомогенизацию, сухое измельчение и твердофазные реакции. В процессе механосинтеза в исходной смеси образуется от 15 до 30% карбосилицида титана. Образование карбосилицида титана на этапе механосинтеза позволяет существенно изменить режимы горячего твердофазного прессования и проводить его при температуре 1350-1450°С, давлении прессования 10-15 МПа, выдержке 0,5-3 часа в вакууме или в атмосфере инертного газа, что позволяет снизить энергозатраты технологического процесса и использовать стандартное технологическое оборудование прессования.

Механосинтез включает гомогенизацию, сухое измельчение смеси, а также твердофазные реакции между компонентами. В процессе механосинтеза к частицам порошка подводится высокая энергия. Происходит усвоение твердыми частицами смеси механической энергии активации. При высоких скоростях деформаций происходит изменение структуры твердых тел, ускорение процессов диффузии при пластической деформации. На свежеобразованной поверхности образуются активные центры поверхности, возникают импульсы высоких локальных давлений и температур. В локально ограниченных участках температура может достигать высоких значений, доходящих до точки плавления легкоплавкого компонента. Сухое измельчение без жидких агентов, активаторов, диспергаторов, поверхностно активных веществ способствует «холодной сварке» образующихся частиц, заключающейся в том, что без нагревания извне появляются композитные частицы, содержащие карбосилицид титана. Это объясняется переходом твердой фазы компонентов смеси в неравновесное состояние, характеризующееся мелкозернистым строением частиц порошка, увеличением пределов растворимости в твердой фазе, появлением растворимости в системах, состоящих из нерастворимости компонентов, измельчением элементов структуры материала частиц до нанометровых размеров, образованием новых кристаллических и аморфных фаз, инициацией химических реакций при более низких температурах. Образование новых фаз происходит за счет высокой степени микроискажений и большого количества дефектов решетки, что ускоряет диффузию атомов одного элемента в кристаллическую решетку другого. Для использования активных центров на свежеобразованной поверхности для получения композиционных частиц в процессе «холодной сварки» механосинтез проводят в вакууме. В результате механосинтеза образуется от 15 до 30% карбосилицида титана.

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

Исходную смесь порошков титана, карбида кремния и графита или их соединений в мольном соотношении 3:1.25:0,75 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 горячее прессование полученной композиции в графитовой пресс-форме при температуре 1400°С, давлении 10 МПа и изотермической выдержке 1 час. Нагрузку прикладывают непосредственно перед началом нагрева, нагрев ведут со скоростью 7 град/мин. Опытным путем установлено, что в данном способе получения композиционного материала на основе карбосилицида титана при увеличении температуры горячего прессования происходит снижение содержания карбосилицида титана, что можно объяснить активацией процессов жидкофазного спекания из-за плавления свободного кремния. Охлаждение материала происходит вместе установкой горячего прессования. После остывания образец извлекают из графитовой пресс-формы.

Данным способом получают материал плотностью 4,47 г/см³ (пористость около 2%), в составе которого содержится 90% карбосилицида титана и 10% карбида титана.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить композиционный материал с высоким содержанием карбосилицида титана и высокой плотностью при снижении энергозатарат и повышении технологичности процесса.