способ получения защитных покрытий на изделиях с углеродсодержащей основой

Формула изобретения

1. Способ получения защитных покрытий на изделиях с углеродсодержащей основой, включающей формирование на поверхности изделия шликерного покрытия на основе композиции, состоящей из смеси мелкодисперсных порошков углерода и инертного к кремнию наполнителя и полимерного связующего, нагрев изделия в парах кремния в замкнутом объеме реактора с последующей выдержкой и охлаждение, отличающийся тем, что в качестве инертного к кремнию наполнителя используют SiC, и/или B₄C, и/или AlN, и/или их смеси с HfB₂ и/или ZrB₂ и/или TiB₂, а нагрев изделия в парах кремния проводят при давлении 1-36 мм рт.ст., 1-100 мм рт.ст., 1-250 мм рт.ст., 1-400 мм рт.ст., 1-550 мм рт.ст., 1-780 мм рт.ст. в среде аргона до температуры соответственно 1500-1550°C, 1550-1600°C, 1600-1650°C, 1650-1700°C, 1700-1750°C, 1750-1800°C с выдержкой в указанных интервалах температур и давлений в течение 1-3 ч, после чего охлаждают изделие в парах кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в композиции для нанесения шликерного покрытия на изделие используют углерод с размерами, в соответствии с выбранным интервалом температур при выдержке, а именно: меньшей температуре соответствует меньший размер частиц и наоборот.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании в композиции для нанесения шликерного покрытия на изделие нитрида алюминия (AlN) нагрев в парах кремния производят при давлении 550-780 мм рт.ст. в среде аргона до температуры 1750-1800°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству углеродных изделий и материалов и предназначено для защиты от окисления изделий, работающих в условиях окислительной среды при высоких температурах. Оно может быть использовано как в металлургической промышленности, так и в других отраслях техники, где необходима такая защита конструкционных элементов и изделий, в том числе в авиастроении.

Известен способ получения защитного карбидокремниевого покрытия на материалах и изделиях с углеродсодержащей основой, включающий термообработку углеграфитовых материалов в порошкообразном нитриде кремния в температурном интервале 1350-1900°C в инертной атмосфере при остаточном давлении 10-350 мм рт.ст. в течение 1-2 ч [пат. России № 20510 кл. C04B 35/52, 1992].

Недостатком этого способа является хрупкость формируемой пленки карбида кремния, что в условиях термоциклической нагрузки приводит к появлению трещин и сокращению срока службы покрытий.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения покрытий на изделиях с углеродсодержащей основой, включающий формирование на поверхности изделия шликерного покрытия на основе композиции, состоящей из мелкодисперсных порошков углерода и инертного к кремнию наполнителя и полимерного связующего, нагрев его в парах кремния в замкнутом объеме реактора с последующей выдержкой для карбидизации кремния и охлаждение. При этом в качестве инертного наполнителя в композиции для формирования шликерного покрытия используют диборид гафния, а нагрев в парах кремния производят при давлении не более 10 мм рт.ст. и температуре 1850-1900°C в течение 1-3 часов.

Способ позволяет расширить компонентный состав покрытия, а за счет наличия в нем диборида гафния понизить его хрупкость и тем самьм повысить термостойкость [пат. России № 2082694 кл. C04B 35/52, C04B 41/87].

Недостатком способа, рассматриваемого в качестве прототипа, является его сложность из-за необходимости нагрева в парах кремния при температуре 1850-1900°C, а также ограниченные возможности применения покрытия из-за ограниченности его компонентного состава.

Задачей изобретения является упрощение способа формирования покрытий и расширение возможностей применения покрытий.

Эта задача решается усовершенствованием способа получения защитных покрытий на изделиях с углеродсодержащей основой, включающего формирование на поверхности изделия шликерного покрытия на основе композиции, состоящей из мелкодисперсных порошков углерода и инертного к кремнию наполнителя и полимерного связующего, нагрев изделия в парах кремния в замкнутом объеме реактора с последующей выдержкой и охлаждение.

Усовершенствование заключается в том, что в качестве инертного к кремнию наполнителя используют SiC, и/или B₄C, и/или AlN, и/или их смеси с диборидами гафния, и/или циркония, и/или титана, а нагрев изделия в парах кремния проводят при давлении 1-36 мм рт.ст., 1-100 мм рт.ст., 1-250 мм рт.ст., 1-400 мм рт.ст., 1-550 мм рт.ст., 1-780 мм рт.ст. в среде аргона до температуры соответственно 1500-1550°C, 1550-1600°C, 1600-1650°C, 1650-1700°C, 1700-1750°C, 1750-1800°C и выдержкой в указанных интервалах температур и давлений в течение 1-3 часов, после чего охлаждают изделие в парах кремния.

Использование в качестве инертного к кремнию наполнителя SiC, и/или B₄C, и/или AlN, и/или их смеси с диборидами гафния, и/или циркония, и/или титана позволяет расширить по составу номенклатуру получаемых покрытий (что не требует пояснений) и придать им дополнительные свойства, в частности повышенную термостойкость, за счет снижения клтр (к снижению клтр приводит наличие B₄C и AlN, а также более высокое содержание в покрытии SiC), за счет демпферных свойств AlN, а также за счет образования при окислении покрытия термостойких алюмосиликатных гафний-, и/или цирконий-, и/или титансодержащих стекол.

За счет наличия в них боратов они обладают низкой вязкостью при сравнительно низких температурах. С повышением температуры по мере испарения B₂O₃ вязкость расплава стекла постепенно повышается за счет того, что он обогащается более тугоплавкими компонентами.

Экспериментально доказано, что проведение нагрева изделия в парах кремния при давлении 1-36 мм рт.ст., 1-100 мм рт.ст., 1-250 мм рт.ст., 1-400 мм рт.ст., 1-550 мм рт.ст., 1-780 мм рт.ст. в среде аргона до температуры соответственно 1500-1550°C, 1550-1600°C, 1600-1650°C, 1650-1700°C, 1700-1750°C, 1750-1800°C с последующей выдержкой в указанных интервалах температур и давлений в течение 1-3 часов позволяет не только получить достаточную для массопереноса к изделию и в поры материала изделия и шликерного покрытия концентрацию паров кремния, но и обеспечить завершение химической реакции между углеродом и кремнием (заявление авторов способа-прототипа о том, что концентрация паров кремния при температуре ниже 1850°C и давлении более 10 мм рт.ст. якобы недостаточна для проведения процесса силицирования ошибочно).

При давлении менее 1 мм рт.ст. усложняется аппаратурное оформление процесса.

При давлении, превышающем верхний предел соответствующего интервала температур, низка скорость массопереноса паров кремния к изделию.

При выдержках в указанных интервалах температур и давлений менее 1 часа переносимое в поры материала количество кремния не достаточно для карбидизации углерода.

При выдержке в указанных интервалах температур и давлений более 3 часов необоснованно удлиняется процесс.

Охлаждение изделия в парах кремния с конденсацией их непосредственно в порах материала изделия и в порах материала покрытия позволяет заполнить свободным кремнием открытые поры, сформировавшиеся в материале изделия и покрытия после окончания выдержки при максимальной температуре, и тем самым придать материалу изделия с покрытием большую окислительную стойкость за счет, если не герметичности, то по крайней мере пониженной проницаемости материала изделия и покрытия.

Использование в композиции для нанесения шликерного покрытия на изделия углерода с размерами частиц в соответствии с выбранным интервалом температур при выдержке, а именно: меньшей температуре соответствует меньший размер частиц и наоборот, обеспечивает возможность перевода всего углерода (или по крайней мере большей его части) в карбид кремния.

Осуществление нагрева изделия со шликерным покрытием на основе композиции, состоящей из нитрида алюминия (AlN), в парах кремния при давлении 550-780 мм рт.ст. в среде аргона до температуры 1750-1800°C позволяет исключить (или по крайней мере существенно уменьшить) разложение AlN на Аl и N₂ .

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность при меньших (чем в прототипе) температурах получить покрытие достаточно широкого по составу ассортимента с более низким клтр или имеющим в своем составе демпфирующие компоненты (такие как AlN) и образующие при окислении расплавы стекол с увеличивающейся при повышении температуры вязкостью.

Новое свойство позволяет расширить возможности применения способа при его упрощении и при этом получить покрытия с более высокой термостойкостью

Способ осуществляют следующим образом.

На поверхности изделия с углеродсодержащей основой формируют шликерное покрытие на основе композиции, состоящей из смеси мелкодисперсных порошков углерода и инертного к кремнию наполнителя и полимерного связующего. В качестве инертного к кремнию наполнителя используют SiC, и/или B₄C, и/или AlN, и/или их смеси с диборидами гафния, и/или циркония, и/или титана.

Затем изделие нагревают в парах кремния в замкнутом объеме реактора в среде аргона до одного из интервалов температур и соответствующего ему интервала давлений, а именно: до температуры 1500-1550°C, 1550-1600°C, 1600-1650°C, 1650-1700°C, 1700-1750°C, 1750-1800°C при давлении соответственно 1-36 мм рт.ст., 1-100 мм рт.ст., 1-250 мм рт.ст., 1-400 мм рт.ст., 1-550 мм рт.ст., 1-780 мм рт.ст.

При наличии в композиции AlN нагрев изделия производят в среде аргона до температуры 1750-1800°C при давлении 550-780 мм рт.ст., что исключает диссоциацию AlN на Al и N₂.

После этого производят выдержку в одном из указанных выше интервалов температур и давлений в течение 1-3 часов. При этом завершается протекание реакции образования SiC как в порах материала изделия, так и в порах материала шликерного покрытия.

Размеры частиц углерода композиции для нанесения шликерного покрытия на изделие предпочтительно выбирают в соответствии с выбранным интервалом температур при выдержке, а именно: меньшей температуре соответствует меньший размер частиц.

После этого изделие охлаждают в парах кремния. При этом открытые поры материала изделия и материала покрытия, сформировавшиеся к концу выдержки, заполняются свободным кремнием за счет пропитки конденсатом паров кремния.

Примеры конкретного выполнения способа получения защитных покрытий на изделиях с углеродсодержащей основой приведены в табл.1, где примеры 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16-18, 20, 22-39 соответствуют заявляемым пределам; примеры 3, 6, 9, 12, 15, 19, 21, 40, 41 с пределами по величине давления выше верхнего из заявляемых пределов, а примеры 42-43 соответствуют способу-прототипу.

При изготовлении композиций для формирования шликерных покрытий использовали графитовый порошок различной дисперсности в зависимости от конечной температуры при силицировании, а именно:

- до 20 мкм при температуре 1500-1550°C,

- до 30 мкм при температуре 1550-1600°C,

- до 40 мкм при температуре 1600-1650°C,

- до 50 мкм при температуре 1650-1700°C,

- до 63 мкм при температуре 1700-1800°C.

На основе анализа таблицы 1 можно сделать следующие выводы.

1. Экспериментально доказана возможность получения противоокислительных покрытий с использованием процесса парофазного силицирования при более низких температурах, чем в способе-прототипе.

2. Получаемые в соответствии с заявляемым способом образцы материала с покрытием имеют более низкую открытую пористость, чем по способу-прототипу, что позволит повысить их окислительную стойкость.

3. Проведение процесса силицирования при давлении выше верхнего из заявленных пределов приводит к небольшому снижению плотности материала подложки с покрытием и повышению открытой пористости (ОП) и водопоглощения материала с покрытием, а самое главное, при изготовлении крупногабаритных деталей это приводит к получению неоднородного по составу покрытия из-за сравнительно низкой скорости диффузии паров кремния в объеме реактора и неравномерной их доставки к обрабатываемой детали.

В таблице 2 приведены результаты исследования ФМХ материала подложки после силицирования, в том числе с покрытием, в сравнении с ФМХ исходного материала.

Как видно из таблицы 2, одновременно с формированием на подложке противоокислительного покрытия происходит силицирование материала подложки, что приводит к увеличению плотности материала и снижению его открытой пористости; при этом прочностные характеристики уменьшаются, но не столь существенно, а именно в пределах допустимых требований к материалу.

В таблице 3 приведены результаты исследования влияния состава шликерного покрытия на термостойкость защитного покрытия, где номера образцов соответствуют номерам примеров таблицы 1.

На основе анализа таблицы 3 можно сделать следующий вывод.

Использование в качестве инертного к кремнию наполнителя в композиции для формирования на поверхности изделия шликерного покрытия таких соединений, как SiC, SiC+HfB₂ , SiC+AlN, SiC+B₄C, позволяет получить покрытия с достаточно высокой термостойкостью, сравнимой с термостойкостью покрытия, полученного по способу-прототипу.

Таблица 3
№ п/п	Состав шликерного покрытия	Технологические параметры процесса силицирования	Время нагрева образца с 20° до 1750°С, мин	Время охлаждения образца с 1750° до 20°С	Количество циклов до растрескивания покрытия
Температура, °С	Давление, мм рт.ст.	Время выдержки, мин
1	2	3	4	5	6	7	8
1	70SiC+30C	1500-1550	27	120	18	35	5
7	1600-1650	27	120	18	35	5
13	1700-1750	27	120	18	35	6
24	60SiC+20HfB2 +20C	1650-1700	27	120	18	35	8
31	40SiC+40AlN+20C	1750-1800	780	120	18	35	10
32	40SiC+30B4C+30C	1650-1700	27	120	18	35	7
42	95HfB2+5C	1850-1900	10	120	18	35	6