Получение заготовок из керамики

В настоящее время ряд организаций разрабатывает экологически чис­тые газотурбинные установки мощностью 2,5...10 МВт общепромыш­ленного назначения повышенной экономичности с КПД 46...70 % и со­держанием оксидов азота в продуктах сгорания не более 25 мг/м³.

Все элементы высокотемпературного тракта таких установок изготав­ливаются на технологическом оборудовании (экструдер, вакуумная печь) из новых керамических материалов, на основе нитрида алюминия и нитрида кремния по технологии вакуумно-компрессионной пропитки: они обла­дают рядом нехарактерных для керамики особенностей:

- отсутствием усадки в процес­се синтеза (спекания);

- возможностью изготовления любых сложнопрофильных изде­лий всеми способами механиче­ской обработки (токарная, фре­зерная, шлифование, сверление и т.д.) перед стадией спекания;

- возможностью эффективной диффузионной сварки как перед, так и после спекания отдельных деталей;

- высокой температурой эксплуатации (более 1600 °С);

- высокой жаростойкостью, эрозионной и коррозионной стойкостью.

Благодаря технологическим особенностям из данных керамик изготавливается комплекс сложных керамических узлов и дета­лей для высокотемпературного тракта (1350 °С) газовых турбин:

- рабочие колеса металлокерамической осевой турбины с окружной скоростью по периферии лопаток 330...450 м/с;

- металлокерамический сопловой аппарат, рассчитанный на длитель­ную работу при температуре 1450 °С;

- керамическая улитка, газоходы высокотемпературного тракта между камерой сгорания и турбиной высокого давления, между турбинами вы­сокого и низкого давления и т.д.;

- жаровые трубы камер сгорания, работающие при температуре –1500 °С, для сжигания газообразного и жидкого топлива.

По строению керамика представляет собой сложную систему, со­стоящую в общем случае из трех основных фаз: кристаллической, стек­ловидной и газовой. Кристаллическая фаза (основная) – это химические соединения или твердые растворы, она определяет характерные свойства керамического материала. Стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек между кристаллическими обособленными микрочастицами и выполняет роль связующего вещества. Газовая фаза содержится в порах керамики. Поры ухудшают свойства керамики, осо­бенно при повышенной влажности.

Свойства керамики зависят от состава смеси (химического и процент­ного соотношения веществ), режима обработки.

В технологическом процессе присутствуют операции:

- предварительного (низкотемпературного) спекания, если необходима механическая обработка керамики.

- окончательное высокотемпературное реакционное спекание обеспечивает необ­ходимый комплекс механических и физико-химических свойств материа­ла изделия.

Для изготовления высококачественных конструкционных керамик используют преимущественно искусственно синтезированные материалы в виде высококачественных ультра- и нанодисперсных порошков со ста­бильным химическим, фазовым и гранулометрическим составом.

Формуют изделия прессованием, шликерным литьем, экструзией, комбинированными методами, например литьем с последующим прессо­ванием.

Шликер представляет собой суспензию, полученную перемешиванием порошка и пластифицирующее-связывающих веществ.

Шликерное литьё выполняют в металлическую форму под давлением.

Выбор способа формования определяется техническими, экономиче­скими и технологическими факторами, главными из которых являются требуемые прочностные свойства, форма, размер и точность детали, ко­личество изготовляемых деталей и технологические свойства применяе­мых формовочных масс.

Гидростатическое прессование равномерно распределяет давление по пресс-порошку, что позволяет получать изделия с однородной по всей длине плотностью. Этот способ применяют для изготовления изделий с большим отношением высоты к диаметру (толщине стенки). Схема уста­новки для гидростатического прессования изделия трубча­того сечения представлена на рис. 3.48.

Рис. 3.48. Схема гидростатического прессования:

1 - камера; 2 - крышка; 3 - стержень; 4 - эластичная оболочка;

5 - зона засыпки пресс-порошка; 6 - каркас-ограничитель

В камере 1 вакуумным насосом создается разряже­ние, которое сопровождается растяжением эластичной оболочки 4. С целью огра­ничения растяжения преду­смотрен каркас-ограничи­тель 6, содержащий отвер­стия. Прессуемый порошок загружают в рабочую по­лость 5, находящуюся между эластичной оболочкой 4 и стержнем

3.Для равномерного распределения порошка по зоне прессо­вания и его уплотнения применяют вибрацию камеры, для чего могут использоваться пневматические, электромагнитные и механические виб­раторы. После засыпки смеси в камеру под высоким давлением (поряд­ка 400 МН/м²) подается рабочая жидкость (вода), которая через эластич­ную оболочку прессует порошковую смесь. После прессования сливают рабочую жидкость, открывают крышку 2 и извлекают изделие.

Недостатками гидростатического прессования являются невысокая производительность, сравнительно низкое качество поверхности изделия, отформованного эластичной оболочкой, сложность процесса подготовки к прессованию.

Горячее прессование сочетает в себе 2 операции: прессование и спе­кание. Это позволяет получать новые свойства у изделий, причем при значительно меньших давлениях и температуре (по сравнению с другими способами прессования).

Спекание керамического материала сопровождается рядом физико-химических процессов, определяющих свойства получаемых изделий, в частности переносом материала и синтезом химических соединений. При спекании материал уплотняется и упрочняется.

Можно выделить несколько механизмов спекания, которые в общем случае могут действовать одновременно.

Диффузионное спекание необходимо для соединения твердых частиц. Спекание происходит при температурах, при которых атомы кристалли­ческой решетки благодаря тепловому движению приобретают энергию, необходимую для эффективного протекания диффузионных процессов. Перед спеканием материал имеет пористую структуру в виде контакти­рующих друг с другом частиц и пор между ними. При определенной тем­пературе вследствие поверхностной диффузии элементов решетки округ­ляются углы частиц, их поверхность сглаживается, а в местах контакта частицы соединяются, формируя узкие перешейки. По мере утолщения

перемычек имеющиеся в теле поры смыкаются, образуя меньшее количе­ство закрытых, более крупных пор. Дальнейшее уменьшение размера за­крытых пор и их исчезновение связаны с диффузией вещества в область пор, являющихся источниками вакансии. Полное зарастание пор происхо­дит при наличии условий диффузии вакансий к границе твердого тела.

Жидкостное спекание имеет место в тех случаях, когда происходит расплавление составляющих керамики. Образовавшийся расплав частич­но или полностью заполняет поры между частицами. Свойства получае­мой керамики зависят от адгезии расплава к твердым частицам, соотно­шения между жидкой и твердой фазами, вязкости жидкой фазы. Жидкая фаза в некоторых случаях может растворять определенное количество твердой фазы, что может сказаться на свойствах керамики.

Спекание за счет испарения и конденсации. В основе этого процесса лежит перенос вещества с поверхности одной частицы на поверхность другой вследствие различной величины упругости пара.

Спекание за счет деформации происходит при относительном пере­мещении частиц (горячее прессование), что позволяет получать практи­чески беспористые материалы.

При реакционном спекании образуется новое вещество за счет кри­сталлической фазы материала, спекаемого из газообразной фазы другого вещества.

Синтез конструкционных жаропрочных керамических материалов и изделий основан на управляемом химическом взаимодействии компонен­тов и направленном формировании фазового состава и микроструктуры материалов с целью получения изделий качественно нового уровня. Варьирование типа и количества исходных компонентов «матрица – на­полнитель – активатор спекания» и технологических параметров процес­са обеспечивает создание композиционных материалов с широким спек­тром свойств.

В настоящее время выполняются разработки по химическому упроч­нению керамик «холодного спекания», взрывному гидродинамическому формованию труднопрессуемых порошков для создания нового класса материалов на основе нитрида бора.