Конструкционные керамические материалы на основе нитрида кремния, полученные компрессионным, газостатическим и микроволновым спеканием

• Автор: Шкарупа, Игорь Леонидович
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 183 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
2.1. Некоторые общие физико-химические характеристики
нитрида кремния, традиционные технологии изготовления, применение
2.2. Особенности формирования микроструктуры керамики
системы 31ЗН4-¥203- АЗ.203 и ее влияние на физикомеханические характеристики
2.3. Синтез и свойства керамики на основесх-сиалонов 2?
2. 4. Диссоциация нитрида кремния при спекании. Синтез
керамики на основе нитрида кремния по технологии горячего изоетатичеекого прессования (ГИЛ)
2. 5. Некоторые особенности микроволнового (СВЧ)
спекания керамических материалов
2. 6. Выбор направления исследований
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Цель исследований
3. 2. Методики, использовавшиеся в работе
3.3. Характеристики исходных порошков нитрида кремния,
разработка технологии синтеза новых порошков
3. 4. Синтез высокоплотной керамики системы
ЗіЗМ4-У203~А1203 по технологии горячего шлир«рного литья и компрессионного спекания
3.5. Исследование закономерностей изменения геометрии образцов и изделий из ЗіЗМ при компрессионном
спекании
3.6. Разработка и паспортизация материалов ОТМ-913 и
ОТМ-919
3.7. Исследование особенностей синтеза спеченной керамики с пониженным содержанием активаторов
- 3 "
спекания
3. 8. Керамика из ультрадисперсных порошков нитрида кремния, синтезированная по технологии горячего изостатического прессования (ГИЛ)
3. 9. Микроволновое спекание керамики системы
S1ЗЫ4- Y203- А1203
3.10. Исследование окисляемоети и кислотоустойчивости материалов ОТМ-913 и ОТМ
3.11. Разработка и испытания изделий из спеченных материалов на основе нитрида кремния,
3.11.1. Разработка керамической опоры для нагревателей печей, применяющихся для анализа и переработки руд благородных и цветных металлов
3.11.2. Испытания тиглей из материала ОТМ-913 в технологии плавки магнитных сплавов
3.11.3. Разработка и испытания износостойких керамических накладок центрифуг, работающих на углеобогатительных фабриках
3.11.4. Разработка направляющих пластин для печатающих
плат телемеханических устройств
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5. ВЫВОДЫ
6. ЛИТЕРАТУРА
7. ПРИЛОЖЕНИЯ
1. ВВЕДЕНИЕ.
Создание новых технических объектов.как правило, сопровождается появлением потребностей в новых, в том числе конструкционных материалах. Так в последние двадцать дет потребности промышленности привели к тому, что в развитых странах начали разрабатываться и широко внедряться практически во всех технических отраслях новые керамические конструкционные материалы на основе нитрида и карбида кремния. Исследования показали, что указанные материалы по комплексу свойств значительно превосходят другие типы керамических материалов. Нитрид и карбид кремния и материалы на их основе обладают высокой рабочей температурой до 1700-2000 К, износостойкостью, химической инертностью, повышенной (особенно нитрид кремния) прочностью и трещиностойкостью. Поэтому появление указанных материалов позволило поставить вопрос о замене металлических изделий на керамические для работы в экстремальных термо-механических условиях, например, в горячей зоне газотурбинных и поршневых двигателей. Наиболее ярким примером таких исследований является действующая в США под эгидой департамента энергетики (ДОЕ) и отдела промышленных технологий (ОД) программа создания стационарного ГТД с преимущественно керамичекой высокотемпературной проточной частью. Программа начата в 1992 году и предусматривает создание на базе материаловедческих и
конструкторских разработок к 2010 году промышленной турбины. В то же время необходимо отметить, что для элементов горячей золы двигателей предъявляются особые требования, не позволяющие использовать весь комплекс положительных характеристик указанных материалов. Поэтому в настоящее время в развитых странах проводятся исследования, направленные на использование изделий из нитрида и карбида кремния практически во всех отраслях промышленности. Они уже нашли широкое применение в аэро-космической, металлургической, химической, электронной и других областях. Из материалов ка основе нитрида кремния изготавливаются клапаны двигателей внутреннего сгорания, роторы турбонаддува,
— 55"—
для холодного волочения, для поддерживающих и направляющих роликов, предназначенных для прокатки цветных металлов в горячем состоянии , для формовочной оснастки и преесформ, предназначенных для горячей обработки металлов и для производства деталей машин. Можно ожидать, что керамика на основе альфа-сиа-лонов найдет применение для изготовления деталей станкоЕ.
Вместе с тем наиболее высокими эксплуатационными характеристиками, например, для обработки металлов и , в частности, никелевых сплавов, как сообщается в работах [49,50], обладают материалы, состоящие из смеси альфа и бэта - сиалонов. В частности в заявке С 49] описан керамический материал, состоящий из (в об. %) 0,5-99 сиалона со структурой вюрцита, 20-29 альфа-си-алон, и (или) 5-80 бэта сиалон и (или) 95% A1N. В этом материале 0,1-20 об. % составляет межзеренная связующая фаза, которая частично состоит из етеклофазы, а частично из кристаллической фазы. Весьма существенным при решении вопроса промышленного использования является тот факт, что материал, состоящий из смеси альфа и бэта-сиалонов является наиболее дешевым среди спеченных материалов на основе нитрида кремния.
2.4. Диссоциация нитрида кремния при спекании. Синтез
керамики на основе нитрида кремния горячим изостатическим прессованием (ГИП).
В работах многих авторов (см., например,[51]) отмечалось, что известная трудность уплотнения нитрида кремния в процессе спекания при нормальном давлении азота по сравнению е другими ковалентными соединениями обусловлена значительной степенью диссоциации нитрида кремния при температуре спекания. Полученные расчетные значения равновесного парциального давления азота над нитридом кремния при 1700°С Еееьма велики и составляют 1,4 х 10 атм. Наличие диссоциации приводит к образованию при спекании на поверхности материала рыхлого слоя, что в свою очередь тормозит процесс уплотнения. Поэтому уплотнение нитридокремниевых материалов в процессе спекания как правило сопро-