Слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей (варианты)
Материал состоит из не менее, чем одного несущего керамического слоя (1), металлсодержащего слоя (2) и соединяющего их переходного металлокерамического подслоя (3), сформированного из материала обоих слоев. Переходный подслой (3) и керамический слой (1) выполнены плазменным напылением. Керамический слой (1) состоит из оксида алюминия. В первом варианте материал выполнен с металлсодержащим слоем из жаропрочных сплавов, например нихрома, во втором - из нихрома и оксида алюминия с их соотношением 5:1, в третьем - из платины. Материал имеет в первых двух вариантах переходный подслой из оксида алюминия и нихрома, в третьем - из оксида алюминия и платины. В любом из вариантов переходный подслой имеет среднее отношение металлического и оксидного компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10-5 м. Техническим результатом полезной модели является повышение прочности соединения слоев материала. Изготовленные из него тигли выдерживают более 100 термоциклов при 1400°С. 3 н.п. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл., 12 пр.
Полезная модель относится к области слоистых материалов, содержащих, в основном, керамику и имеющих металлсодержащий слой, изделия из которых работают в условиях высоких температур, коррозионных сред и знакопеременных термомеханических нагрузок в качестве многоразовых тиглей для плавления и термообработки высокотемпературных материалов.
При работе, например, тигля для выращивания оксидных монокристаллов, помещаемый в тигель материал проходит состояния расплавления и затвердевания и вследствие разности плотности этого материала в твердом и жидком состоянии тигель подвергается значительным знакопеременным нагрузкам. Материал тигля разрушается.
Одной из основных задач является создание материалов для повышения термостойкости и обеспечения эксплуатационной надежности изготавливаемых из них изделий: разработка составов и конструкций материалов, позволяющих изделиям из них длительно работать при высоких температурах, циклических термомеханических знакопеременных воздействиях и в коррозионных средах.
Известны многослойные конструкции из жаростойких материалов для плавильных металлургических емкостей: а.с. СССР 
348614, С21С 5/52, з. 25.08.70., on. 23.08.72., п.РФ 2095192, В22Д 41/02 oп. 10.11.97., п. РФ 2222756, F27B 14/06, oп. 27.01.04., п.Японии 06-273062, F27B 14/10, on. 30.09.94., п.Японии 06-279983, F27B 14/10, oп. 04.10.94.
Однако, используемая в них керамика из оксида алюминия, например, для тиглей индукционных печей растрескивается и не выдерживает повторные нагревы и охлаждения плавильных устройств.
Известны также слоистые конструкции из материалов для тиглей индукционных печей, выполненные с металлсодержащим слоем: а.с. СССР 459651, F27B 14/02, з. 27.07.73., oп. 05.02.75. и а.с. СССР 659869, F27B 14/10, з. 04.02.76., on. 30.04.79., например, в одном из которых (а.с. СССР 1303803, F27B 14/10, з. 03.12.84., oп. 15.04.87.) со слоями оксидной керамики чередуются металлические слои, образуя слоистый металлокерамический композит.
Однако, прочного соединения слоев либо прочности материала самих слоев, в известных многослойных конструкциях плавильных емкостей, в том числе и в слоистых тиглях, недостаточно, что не позволяет достичь им требуемой термостойкости и эксплуатационной надежности.
Известны также слоистые конструкции из различных керамических материалов, включающие металлические слои из платины или иридия, из которых выполнены тигли, например, для выращивания оксидных монокристаллов (п. Японии 4275995, С30В 15/10, oп. 01.10.92., п. Японии 7223896, С30В 15/12, on. 22.08.95., п. Японии 10-338593, С30В 15/10, on. 22.12.98., п. США 4444728, С30В 15/00, oп. 24.04.84.).
Однако, выполнение материала слоев из керамических волокон, шариков, порошка оксида алюминия не позволяет осуществить жесткое соединение внутреннего металлического слоя тигля с наружным керамическим, создать конструкционный материал требуемой жаростойкости и прочную конструкцию тигля в целом. В условиях знакопеременных термомеханических нагрузок это приводит к снижению сроков эксплуатации тиглей, выполненных из известных слоистых материалов.
Известен также слоистый конструкционный материал для высокотемпературного контейнера (п. Японии 1142384, С22С 5/04, F27B 14/10, oп.05.06.89.), состоящий из внутреннего слоя платины и соединенного с ним наружного слоя из оксида алюминия. В таком материале между внутренним и наружным слоями имеется защитная пленка окислов, стабилизированная при высокой температуре.
Однако, наличие данной пленки, подавляющей улетучивание платины, не создает жесткого сцепления слоев конструкционного материала, что не способствует его достаточной термостойкости и требуемой эксплуатационной надежности изготавливаемых из него изделий.
Во всех приведенных известных материалах, форма соединения слоев характеризуется гладкой поверхностью соединения с простым рельефом, что не обеспечивает термостойкость и эксплуатационную надежность устройств, изготавливаемых с их применением.
Известны также слоистые жаростойкие конструкционные материалы, из которых выполнены: тигель для выращивания монокристаллов (свидетельство на полезную модель РФ 25740, С30В 15/10, oп. 20.10.02.), сосуды для варки и выработки стекла (п. Японии 1201033, С03В 5/08, oп.14.08.89., свидетельство на полезную модель РФ 77268, С03В 5/08, oп.20.10.08.).
Известные материалы выполнены плазменным напылением и включают металлсодержащий рабочий слой из материалов на основе платиноидов, а именно: из платины, и жестко соединенный с ним несущий слой из плазмокерамики, выполненной из оксида алюминия.
Наличие жесткой связи слоев, получаемой при плазменном напылении, за счет направленного внедрения материала одного слоя в другой по развитой поверхности их соединения, обеспечивает в определенной степени прочность слоистого материала.
Однако, между слоями создается резкая граница, на которой концентрируются напряжения, возникшие из-за различий материалов слоев в коэффициентах термического расширения. Недостаточно высокие микрошероховатости слоя платины и слабая адгезия плазмокерамических частиц не позволяют достичь требуемого прочного сцепления слоев.
В условиях высоких температур, коррозионных сред и знакопеременных нагрузок в слоистом материале образуются трещины, что снижает термостойкость и эксплуатационную надежность изделий из них.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, из которого выполнен контейнер для индукционной установки (свидетельство на полезную модель РФ 72052, F27B 14/08, С30В 15/10, oп. 27.03.08.), который предназначен для плавления и термообработки различных высокотемпературных материалов, включающий не менее, чем один, а именно: два несущих керамических слоя и металлсодержащий слой между ними, сформированный плазменным напылением. При этом, каждый несущий керамический слой выполнен и соединен с металлсодержащим слоем плазменным напылением, кроме того, керамический слой выполнен из оксида алюминия, а металлсодержащий слой - из жаропрочного сплава нихрома. Соединение керамического слоя с металлсодержащим слоем с помощью плазменного напыления хотя и приводит к механическому зацеплению частиц оксида алюминия за недостаточно высокие микрошероховатости нихрома, возникшие случайным образом в процессе напыления, но не обеспечивает требуемой величины механических сил соединения слоев.
Прилипание деформированных плазмокерамических частиц к поверхности нихрома имеет незначительную величину вследствие слабых сил межмолекулярного взаимодействия различных по своей природе материалов: керамики в виде оксида алюминия, и металла - сплава нихрома, что также не вызывает прочного соединения слоев.
На границе керамического и металлсодержащего слоев возникают значительные термические напряжения. Низкая пластичность керамики не способствует релаксации этих напряжений, а ведет к образованию трещин на границе слоев. Слабая адгезия слоев практически не препятствует распространению трещин на границе между ними.
В связи с этим происходит расслаивание металлсодержащего и керамического слоев конструкционного материала, что приводит к ухудшению теплостойкости, нарушению формы и снижению эксплуатационной надежности выполненных из него устройств.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение термостойкости и эксплуатационной надежности слоистого конструкционного материала и изготавливаемых из него изделий.
Поставленная задача решается за счет технического результата: повышения прочности соединения несущего керамического слоя и металлсодержащего слоя за счет создания высокого адгезионно-когезионного взаимодействия на границе слоев и нераспространения трещин керамического слоя.
Для достижения указанного технического результата в соответствии с первым из вариантов предлагается слоистый жаростойкий конструкционный материал, состоящий из не менее, чем одного несущего керамического слоя, металлсодержащего слоя и соединяющего их переходного металлокерамического подслоя из частиц материала обоих слоев, при этом, несущий керамический слой выполнен плазменным напылением из оксида алюминия, переходный металлокерамический подслой состоит из оксида алюминия и жаропрочного сплава, например, нихрома, со средним отношением содержания компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10-5 м, а металлсодержащий слой выполнен из жаропрочных сплавов, например нихрома.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, материал может иметь два несущих керамических слоя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, материал может иметь металлсодержащий слой, между двумя несущими керамическими слоями.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, металлсодержащий слой может быть выполнен плазменным напылением.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, металлсодержащий слой и переходный керамический подслой могут быть выполнены с нихромом, содержащим в мас.%: никеля - 80, хрома - 20.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, толщина каждого несущего керамического слоя, переходного металлокерамического подслоя и металлсодержащего слоя может составлять от общей толщины материала в %: 43,0-47,0, 1,0-2,0, 5,0-10, соответственно.
Предложенный слоистый конструкционный материал является устройством, в котором заявляемое сочетание материалов его слоев, форма их выполнения именно плазменным напылением, размеры по толщине и соотношение компонентов в материале слоев позволяют получить новое качественное изделие высокой прочности с усиленным механическим и межмолекулярным сцеплением слоев для сложных условий знакопеременных термомеханических нагрузок, например, при повторяющихся процессах затвердевания расплава.
Наличие в конструкционном материале гетерофазного переходного слоя увеличивает протяженность границ сцепления металлсодержащего и керамического слоев за счет активного взаимодействия химически эквивалентных частиц этих слоев. Так, оксиды алюминия переходного подслоя взаимодействуют с оксидами алюминия керамического слоя, а металлические частицы переходного подслоя взаимодействуют с металлическим слоем.
Такое сцепление - когезионное взаимодействие характеризуется высокими силами притяжения одинаковых молекул и, следовательно, значительными силами сцепления переходного подслоя с металлсодержащим и керамическим слоями.
Следует отметить, что выражение «химически эквивалентны» является общепринятым, обозначает равноценность (эквивалентность) частиц для образования межмолекулярных (химических) связей. (Политехнический словарь, М., «Советская энциклопедия», 1989 г., стр.608).
На увеличенной границе соединения слоев, прилипание разнородных молекул (металла и оксида алюминия) - адгезионное взаимодействие также усиливается.
Кроме того, возможная трещина, легко возникшая в хрупком керамическом материале, не проходит в более вязкий материал переходного слоя, который является гетерофазным, состоящим из оксидных и металлических частиц. По-видимому трещина затупляется на границе раздела фаз в зоне микроскопических изменений, где, вероятно, происходит поглощение ее энергии. Вследствие этого, трещина, скорее всего, и не нарушает сплошности ни переходного, ни металлсодержащего слоев.
В предлагаемой полезной модели все слои зависят друг от друга и каждый из них влияет на выполнение функций других слоев.
Выполнение плазменным напылением керамического слоя из оксида алюминия и переходного слоя из оксида алюминия и жаропрочного сплава, например нихрома, а также соединение слоев и подслоя плазменным напылением именно при среднем соотношении компонентов подслоя 1:1 и его толщине (50-200)·104 м, а также при выполнении металлсодержащего слоя из жаропрочного сплава и оксида алюминия позволяет осуществить направленное формирование жаропрочного слоистого материала.
Использование в качестве материала керамического слоя тугоплавного оксида алюминия позволяет рассматривать полученный плазменным напылением керамический слой, как упрочняюще-защитный и теплоизоляционный, способствующий повышению теплостойкости всего заявляемого материала.
Выполнение переходного подслоя из материала обоих слоев с экспериментально полученным средним по толщине подслоя соотношением компонентов 1:1 позволяет осуществлять функцию сглаживания разности физических свойств металла и керамики.
Толщина переходного слоя (5-20)·10-5 м необходима и достаточна для образования нужного количества материала, формирующего равномерный слой с требуемыми свойствами.
Приведенное выполнение слоистого жаропрочного конструкционного материала позволяет повысить прочность соединения керамического и металлсодержащего слоев.
Для достижения указанного технического результата в соответствии со вторым вариантом осуществления полезной модели предлагается конструкционный жаростойкий материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей, который включает не менее, чем один несущий керамический слой, металлсодержащий слой и соединяющий их переходный металлокерамический подслой, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев, при этом, несущий керамический слой выполнен плазменным напылением из оксида алюминия, переходный подслой состоит из оксида алюминия и нихрома со средним отношением содержания компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10 -5 м, а металлсодержащий слой состоит из оксида алюминия и нихрома с отношением содержания нихрома к оксиду алюминия 5:1 по толщине слоя.
Выполнение в слоистом материале по второму варианту металлсодержащего слоя из тугоплавного оксида алюминия и жаропрочного металла-нихрома, при экспериментально найденном соотношении компонентов: нихрома к оксиду алюминия 5:1, позволяет за счет значительного числа химически эквивалентных частиц компонентов слоев и подслоя на их границе создать конструкцию материала с высоким уровнем адгезионно-когезионного взаимодействия ее элементов, тем самым повысить прочность соединения несущего керамического и металлсодержащего слоев.
В заявленном материале, выполненном по второму варианту, так же как и по первому, могут быть два керамических слоя и размещенный между ними металлсодержащий слой, а также два переходных подслоя между каждым из керамических слоев и металлсодержащим слоем.
Использование в материале двух переходных слоев позволяет увеличить протяженность границы адгезионно-когезионного взаимодействия слоев и увеличить объем материала переходных подслоев, препятствующего распространению возможных трещин керамического слоя.
Указанный состав и расположение слоев и подслоев вместе с составом жаропрочного металла-нихрома из 80 мас.% никеля и 20 мас.% хрома позволяют создать прочные границы между слоями в заявленном устройстве и сформировать его способность к затуплению случайно возникших трещин.
Для достижения указанного технического результата в соответствии с третьим вариантом предлагается слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей, включающий не менее, чем один несущий керамический слой, металлсодержащий слой и соединяющий их переходный металлокерамический подслой, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев, при этом, несущий керамический слой выполнен плазменным напылением из оксида алюминия, переходный металлокерамический подслой состоит из оксида алюминия и платины со средним отношением содержания компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10-5 м, а металлсодержащий слой выполнен из платины.
Выполнение в данном варианте слоистого материала с металлсодержащим слоем из такого жаропрочного материала, как платина, а также создание переходного слоя металлокерамическим из вязкой платины, упрочненной частицами оксида алюминия, одновременно с достаточно высоким адгезионно-когезионным взаимодействием между слоями позволяет создать слоистый материал с высокой жаростойкостью.
В слоистых жаропрочных конструкционных материалах, выполненных по любому из указанных трех вариантов, в частных случаях реализации полезных моделей указаны толщины каждого слоя и переходного подслоя в процентном отношении от общей толщины всего материала. Такое распределение толщин способствуют созданию монолитной конструкции с высокой прочностью самих слоев и границ между ними.
Совокупность всех существенных признаков полезной модели - признаков, влияющих на достижение технического результата, в трех вариантах ее выполнения неизвестна из уровня техники, следовательно, она является новой.
Возможность осуществления всех вариантов реализации группы полезных моделей, охарактеризованных приведенными выше совокупностями признаков, а также возможность реализации назначения полезной модели может быть подтверждена описанием возможных конструкций слоистого материала, выполненных в соответствии с настоящей полезной моделью, что поясняется чертежом. Ниже приводятся примеры выполнения слоистого конструкционного материала для жаростойких изделий объемной формы, преимущественно тиглей, в соответствии с заявляемой полезной моделью.
Сущность полезной модели поясняется чертежами и фотоснимком, на которых представлены варианты ее осуществления: слоистый материал на участке стенки тигля в ее поперечном сечении,
Фиг.1 - первый вариант осуществления полезной модели (в частном случае ее реализации), где:
1 - несущий керамический слой из оксида алюминия;
2 - металлсодержащий слой из жаропрочного сплава, например нихрома;
3 - переходный металлокерамический подслой из жаропрочного сплава, например нихрома и оксида алюминия с их отношением 1:1.
Фиг.2 - второй вариант осуществления полезной модели (в частном случае ее реализации), где:
1 - несущий керамический слой из оксида алюминия;
2 - металлсодержащий слой из жаропрочного сплава, например нихрома, и оксида алюминия с их отношением 5:1;
3 - переходный металлокерамический подслой из жаропрочного сплава, например нихрома, и оксида алюминия с их отношением 1:1.
Фиг.3 - третий вариант осуществления полезной модели, где:
1 - несущий керамический слой из оксида алюминия;
2 - металлсодержащий слой из платины;
3 - переходный металлокерамический подслой из платины и оксида алюминия.
Фиг.4 - микроструктура слоистого материала, увеличение 250.
На фотоснимке показана микроструктура шлифа слоистого жаростойкого конструкционного материала, аналогичная для любого из вариантов полезной модели, и представленная для ее основного - первого, варианта:
1 - темное поле - керамический слой (оксид алюминия);
2 - светлое поле - металлсодержащий слой (нихром);
3 - пестрое поле - переходный металлокерамический подслой (нихром и оксид алюминия).
Слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей, включает не менее, чем один керамический слой 1, металлсодержащий слой 2 и соединяющий их переходный металлокерамический подслой 3, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев. При этом, несущий керамический слой 1 выполнен плазменным напылением из оксида алюминия.
Согласно первому варианту выполнения полезной модели, металлсодержащий слой 2 выполнен из жаропрочного сплава, например, нихрома, переходный подслой 3 состоит из оксида алюминия и нихрома со средним отношением компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10 -5 м.
Пример 1 (для первого варианта полезной модели).
Материал имеет два несущих керамических слоя 1, металлсодержащий слой 2, выполненный плазменным напылением между двумя слоями 1, и два переходных металлокерамических слоя 3. Слой 2 и подслой 3 выполнены с нихромом, содержащим 80 мас.% никеля и 20 мас.% хрома. Толщина каждого слоя и подслоя составляет: керамический - 400·10-5 м, переходный - 12,5·10 -5 м, металлсодержащий - 60·10-5 м, что составляет от общей толщины слоистого материала в %: 45,2; 1,4; 6,7, соответственно.
Согласно второму варианту выполнения материала металлсодержащий слой 2 выполнен из нихрома и оксида алюминия с отношением содержания компонентов: нихрома к оксиду алюминия по толщине слоя 5:1. Переходный подслой 3 состоит из оксида алюминия и нихрома со средним отношением компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10-5 м.
Пример 2 (для второго варианта полезной модели)
Материал имеет два несущих керамических слоя 1, металлсодержащий слой 2, выполненный плазменным напылением между двумя слоями 1 и два переходных металлокерамических слоя 3. Слои 2 и 3 выполнены с нихромом, содержащим 80 мас.% никеля и 20 мас.% хрома. Толщина каждого слоя и подслоя составляет: керамический - 500·10 -5 м, переходный - 12,5·10-5 м, металлосодержащий - 350·10-5 м, что составляет от общей толщины слоистого материала в %: 36,3; 0,91; 25,5, соответственно.
Согласно третьему варианту выполнения полезной модели, металлсодержащий слой 2 выполнен из платины, переходный подслой 3 состоит из платины и оксида алюминия, со средним отношением компонентов 1:1 по толщине подслоя 3, составляющей (5-20)·10 -5 м.
Пример 3 (для третьего варианта полезной модели)
Толщина керамического слоя 1, переходного подслоя 3 и металлсодержащего слоя 2 составляет: 900·10 -5 м, 12,5·10-5 м, 55·10-5 м, соответственно, что составляет от общей толщины всего материала, в %: 93,0; 1,3; 5,7, соответственно.
Получение заявляемого материала осуществляют по технологии с применением известных способов и оборудования.
В соответствии с первым и вторым вариантами реализации полезной модели производят изготовление всего слоистого жаростойкого конструкционного материала, используя устройства для плазменного напыления: установку плазменного напыления, состоящую из аппарата УМП-6, камеры-полуавтомата 15 В-Б, снабженных дополнительным устройством подачи металлической проволоки - полуавтоматом сварочным ПДГ-519.
Для этого берут порошок электрокорунда (оксида алюминия) марки 25А по ГОСТ 28818-90 фракции Е-180 с крупностью частиц 6,3·10 -5 м и проволоку нихрома Х20Н80, содержащего 80 мас.% никеля и 20 мас.% хрома, диаметром 12·10-4 м.
Первоначально напыляют на оправку плазмокерамический слой 1 из оксида алюминия для первого варианта полезной модели 45%, а для второго - 36% от общей расчетной толщины всего материала. Затем включают механизм подачи проволоки и в плазму вводят нихромовую проволоку, без выключения подачи порошка оксида алюминия. Скорость подачи нихромовой проволоки постепенно поднимают от нуля до величины, необходимой и достаточной для получения переходного подслоя 3 со средним отношением содержания компонентов: нихрома и оксида алюминия 1:1. Толщина переходного подслоя 3 колеблется в диапазоне (5-20)·10-5 м и определяется экспериментально временем напыления. Затем для получения металлсодержащего слоя в первом варианте исполнения полезной модели производят плазменное напыление нихрома за счет подачи в рабочую зону только одной нихромовой проволоки.
По второму варианту исполнения полезной модели для получения металлсодержащего слоя при одновременном вводе в плазму порошка оксида алюминия и нихромовой проволоки меняется режим подачи компонентов: нихрома - 5 частей, оксида алюминия - 1 часть. Затем с целью реализации полезной модели, как по первому, так и по второму варианту, для получения второго переходного подслоя 3 скорость подачи нихромовой проволоки уменьшается для создания в подслое среднего отношения нихрома к оксиду алюминия 1:1. Временем напыления экспериментально определяется толщина этого переходного подслоя 3, которая колеблется в диапазоне (5-20)·10 -5 м. Далее, как для первого, так и для второго вариантов реализации полезной модели, снова напыляют второй керамический слой 1 из оксида алюминия. Затем изделие, например тигель, полученный с применением нового заявляемого материала, подвергается обжигу при 1200°С.
В соответствии с третьим вариантом реализации полезной модели вначале методами сварки и пластической деформации изготавливают оболочку из платины, которая в слоистом материале является металлсодержащим слоем 2. Затем с помощью указанных выше устройств плазменного напыления, на металлсодержащий - платиновый слой 2 наносят переходный подслой 3, формируя его из платины и оксида алюминия. Для этого берут порошок оксида алюминия электрокорунда марки 25А по ГОСТ 28819 фракции F-180 с крупностью частиц 63·10-6 м и порошок платины по ГОСТ 14837-79 фракции (63+40)·10-6 м. Получение переходного подслоя 3 производят при одновременном вводе в струю плазмы керамического и платинового порошков в соотношении 1:1. Переходный подслой 3 имеет такое же среднее отношение содержания компонентов: платины и оксида алюминия. Толщина переходного подслоя 3 регулируется временем совместного напыления платины и оксида алюминия. Керамический слой 1 выполняют в режиме плазменного напыления, который выбирается в соответствии с габаритами изготавливаемого изделия для обеспечения его номинальной жесткости и прочности.
Аналогично приведенным примерам, изготавливались тигли со слоистыми жаростойкими конструкционными материалами в соответствии с первым вариантом полезной модели для толщин переходного металлокерамического подслоя 5·10-5 м и 20·10-5 м, входящих в заявляемый диапазон толщин подслоя.
Кроме того, в качестве материала металлсодержащего слоя и металлического компонента переходного подслоя брали аналогичный нихрому, но более жаропрочный сплав - фехраль, содержащий в мас.%: хром - до 27, алюминий - до 5, железо - остальное, являющийся техническим эквивалентом нихрому: выполняющим те же функции, тем же способом и с тем же результатом.
Также аналогично приведенным примерам реализации полезной модели в соответствии со вторым и третьим ее вариантами, проводили изготовление тиглей со слоистым жаростойким конструкционным материалом с размерами толщин переходного металлокерамического слоя 5·10-5 м и 20·10-5 м, входящими в диапазон их заявляемых значений.
Предлагаемый материал, в соответствии с вариантами полезных моделей, может быть использован для изготовления изделий объемной формы, преимущественно тиглей для плавки металлов и шлиховых материалов, для варки и выработки стекла, для выращивания монокристаллов.
Из нового материала могут быть также изготовлены тепловые экраны вакуумных и индукционных печей, элементы футеровки печей сопротивления, элементы газоводов, чехлы для термопар, трубы.
Все изделия, выполненные из материалов в соответствии с вариантами заявляемой полезной модели, могут работать как при индукционном, так и при резистивном нагреве.
В таблице представлены сравнительные данные для заявляемого и известных слоистых жаропрочных конструкционных материалов, используемых в составе высокотемпературных тиглей одного типоразмера и с одинаковым рабочим объемом.
В качестве известного слоистого материала для сравнения с заявляемым материалом по первому и второму варианту был выбран материал тигля, как наиболее близкого аналога (патент РФ на полезную модель 72052). Для сравнения со слоистым материалом по третьему варианту полезной модели был выбран аналогичный слоистый материал известного тигля (патент РФ на полезную модель 77268).
Оба известных тигля и заявляемый тигель с тремя вариантами исполнения слоистого материала и разными значениями толщин переходного подслоя эксплуатировались на ОАО «Богородицкий завод технохимических изделий».
В таблице приведены показатели:
- термостойкость - количество рабочих циклов тигля нагрев-охлаждение: от 20°С до наибольшей рабочей температуры (Тмакс, °С), до появления трещин в его керамическом слое;
- эксплуатационный ресурс - количество рабочих циклов тигля нагрев-охлаждение: от 20°С до наибольшей рабочей температуры (Тмакс, °С), до разрушения тигля, несмотря на наличие трещин в его керамическом слое.
Из таблицы видно, что тигель, выполненный из заявляемого слоистого материала, имеет более высокую термостойкость и эксплуатационный ресурс, чем известные тигли, изготовленные из известных слоистых материалов.
Заявляемый слоистый жаростойкий конструкционный материал, благодаря наличию нового подслоя, оптимальному выполнению слоев и подслоя, в том числе правильно подобранному соотношению их толщин, а также особых связей между ними, обладает более высокой термостойкостью и эксплуатационной надежностью, чем известные слоистые материалы.
| СВОЙСТВА ЗАЯВЛЯЕМОГО И ИЗВЕСТНЫХ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Таблица | ||||||
| п/п | Слоистый материал | Переходный слой | Рабочая температура, Т макс. °С | Термостойкость при плавке (количество циклов, до появления трещин) | Эксплуатационный ресурс при плавке (количество циклов, до разрушения тигля) | |
| Наличие | Толщина слоя, 10 -5 м | |||||
| 1 | Известный | нет |  | 1300 | 12 | 20 |
| 2 | Заявляемый | есть | 5,0 | 1300 | 55 | 96 |
| 12,5 | 60 | 102 | ||||
| 20,0 | 58 | 97 | ||||
| 3 | Заявляемый | есть | 5,0 | 1400 | 62 | 102 |
| 12,5 | 70 | 115 | ||||
| 20,0 | 63 | 106 | ||||
| 4 | Известный | нет | | 1480 | 15 | 50 |
| 5 | Заявляемый | есть | 5,0 | 1480 | 30 | 102 |
| 12,5 | 35 | 118 | ||||
| 20,0 | 30 | 105 | ||||
| 6 | Заявляемый | есть | 5,0 | 1600 | 23 | 73 |
| 12,5 | 25 | 84 | ||||
| 20,0 | 23 | 81 | ||||
| Примечание: 1, 2, 3 - для первого и второго вариантов полезной модели (1 - патент РФ 72052)4, 5, 6 - для третьего варианта полезной модели (4 - патент РФ 77268) |
1. Слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей, включающий не менее чем один несущий керамический слой, металлсодержащий слой и соединяющий их переходный металлокерамический подслой, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев, при этом несущий керамический слой выполнен плазменным напылением из оксида алюминия, переходный металлокерамический подслой состоит из оксида алюминия и жаропрочного сплава, например нихрома, со средним отношением содержания компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10-5 м, а металлсодержащий слой выполнен из жаропрочного сплава, например из нихрома.
2. Материал по п.1, характеризующийся тем, что имеет два несущих керамических слоя.
3. Материал по п.2, характеризующийся тем, что имеет металлсодержащий слой, между двумя несущими керамическими слоями и два переходных металлокерамических подслоя.
4. Материал по п.3, характеризующийся тем, что металлсодержащий слой выполнен плазменным напылением.
5. Материал по п.3, характеризующийся тем, что металлсодержащий слой и переходный металлокерамический подслой выполнены с нихромом, содержащим, мас.%: никель 80 и хром 20.
6. Материал по п.3, характеризующийся тем, что толщина каждого несущего керамического слоя, переходного металлокерамического подслоя и металлсодержащего слоя составляет от общей толщины материала, %: 43,0-47,0, 1,0-2,0, 5,0-10,0 соответственно.
7. Слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей, включающий не менее, чем один несущий керамический слой, металлсодержащий слой и соединяющий их переходный металлокерамический подслой, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев, при этом, несущий керамический слой выполнен плазменным напылением из оксида алюминия, переходный металлокерамический подслой состоит из оксида алюминия и нихрома со средним отношением содержания компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10 -5 м, а металлсодержащий слой выполнен из оксида алюминия и нихрома, с отношением содержания нихрома к оксиду алюминия 5:1 по толщине слоя.
8. Материал по п.7, характеризующийся тем, что имеет 2 несущих керамических слоя.
9. Материал по п.8, характеризующийся тем, что имеет металлсодержащий слой между двумя несущими керамическими слоями и два переходных металлокерамических подслоя.
10. Материал по п.9, характеризующийся тем, что имеет металлсодержащий слой, выполненный плазменным напылением.
11. Материал по п.9, характеризующийся тем, что металлсодержащий слой и переходный подслой выполнены с нихромом, содержащим, мас.%: никель 80 и хром 20.
12. Материал по п.9, характеризующийся тем, что толщина каждого несущего керамического слоя, переходного металлокерамического подслоя и металлсодержащего слоя составляет от общей толщины материала, %: 35,6-40,0, 0,8-1,0, 18,0-28,0 соответственно.
13. Слоистый жаростойкий конструкционный материал для изделий объемной формы, преимущественно тиглей, включающий не менее чем один несущий керамический слой, металлсодержащий слой и соединяющий их переходный металлокерамический подслой, сформированный плазменным напылением из материала обоих слоев, при этом, несущий керамический слой выполнен плазменным напылением, из оксида алюминия, переходный металлокерамический подслой состоит из оксида алюминия и платины, со средним отношением содержания компонентов 1:1 по толщине подслоя, составляющей (5-20)·10 -5 м, а металлсодержащий слой выполнен из платины.
14. Материал по п.13, характеризующийся тем, что толщина несущего керамического слоя, переходного металлокерамического подслоя и металлсодержащего слоя составляет от общей толщины материала, %: 90,0-96,0, 0,95-1,5, 3,0-9,0 соответственно.
