PL247626B1 - Sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem, zwłaszcza hybrydowym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem zwłaszcza hybrydowym polegający na niskociśnieniowej infiltracji kształtek ceramicznych ciekłym metalem, który polega na tym, że proces infiltracji prowadzi się w grafitowej dwudzielnej formie, umieszczonej w ceramicznej osłonie tak, że w dolnej części formy umieszcza się porowatą kształtkę ceramiczną/hybrydową o porowatości otwartej od 50% do 90% i rozmiarze porów od 10 µm do 4000 µm, natomiast w górnej części formy umieszcza się wlewek stopu osnowy, przy czym pomiędzy ścianką dolnej części formy, a powierzchnią kształtki znajduje się wolna przestrzeń wynoszącą co najmniej 1 mm, przed rozpoczęciem procesu komora grzejna pieca jest co najmniej dwukrotnie napełniana gazem ochronnym do ciśnienia 500 kPa, opróżniana do ciśnienia 5 kPa, następnie prowadzi się proces topienia osnowy metalowej w temperaturze od 640°C do 720°C w atmosferze ochronnej gazu ochronnego, po ustaleniu się temperatury ciekłego metalu ponownie napełnia się komorę gazem ochronnym do ciśnienia 4 kPa w czasie nie dłuższym niż 60s, chłodzi do temperatury co najwyżej 50°C.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem zwłaszcza hybrydowym.

Znane są kompozyty o osnowie lekkich stopów aluminium i magnezu z hybrydowym wzmocnieniem o zróżnicowanej wielkości cząstek (p) i/lub włókien krótkich (f) różnych materiałów, tj.: SiC(p)/GR(p), SiC(p)/GC(p), SiO2(p)/C(p), Al2O3(f)/C(f), Al2O3(p)/C(p), SiC(p)/Al2O3(p), w tym z udziałem odmian alotropowych węgla, takich jak grafen, tj. SiC(p)/grafen(p), SiO2(p)/grafen(p). Zaletą kompozytów hybrydowych w porównaniu z kompozytami zawierającymi tylko jeden rodzaj wzmocnienia jest możliwość uzyskania synergicznych efektów, np. wzmacniających i smarujących, co jest istotne w przypadku pracy w warunkach intensywnego zużycia i ograniczonego smarowania (Bodunrin, M. O.; Alaneme, K.K.; Chown, L. H Aluminium matrix hybrid composites: A review of reinforcement philosophies; mechanical, corrosion and tribological characteristics, J Mater. Res. Technol 2015, 4, 434-445).

Nową grupą materiałów z dużym potencjałem aplikacyjnym są kompozyty o wzajemnie przenikających się fazach metalu i ceramiki (ang. IPCs- interpenetrating phase composites). Materiały te charakteryzują się głównie większą zdolnością do tłumienia drgań i absorbowania energii, wyższym modułem sprężystości, a także lepszymi właściwościami tribologicznymi w porównaniu do kompozytów o osnowie stopów metali zbrojonych komponentami w postaci cząstek lub włókien. Zastosowanie elementów wzmacniających w formie porowatych ceramicznych szkieletów o znanej geometrii zapewnia metalowej osnowie odpowiednią sztywność, podwyższenie granicy plastyczności oraz wytrzymałości zarówno w temperaturze pokojowej jak i podwyższonej, przeciwdziała propagacji pęknięć oraz zmianom jej podatności na odkształcenie plastyczne. Korzystne charakterystyki mechaniczne i fizyczne tego typu materiałów kompozytowych, charakteryzujących się izotropią właściwości, są wynikiem ich specyficznej, funkcjonalnej makrostruktury o perkolacji faz ceramiki i metalu (Kota N.; Charan M.S.; Laha T., Roy S. Review on development of metal/ceramic interpenetrating phase composites and critical analysis of their properties. Ceramic International. 2022, 48, 2, 1451-1483). Kompozyty o wzajemnie przenikających się szkieletach, wytwarzane są metodami infiltracji porowatej ceramicznej preformy ciekłym metalem. Z uwagi na słabą zwilżalność w układach metal/ceramika lub reaktywność układów proces infiltracji prowadzony jest pod zwiększonym ciśnieniem.

Z polskiego opisu patentowego PL 170196 znany jest sposób infiltracji ciśnieniowej porowatych preform ceramicznych ciekłym metalem, zwłaszcza aluminium lub jego stopów polegający na zanurzeniu uprzednio przygotowanej porowatej preformy ceramicznej w ciekłym metalu i następnym prasowaniu ciekłego metalu tłokiem prasującym pod ciśnieniem, przyczyni w czasie zanurzania w ciekłym metalu porowatej preformy ceramicznej zamocowanej do powierzchni roboczej tłoka prasującego formę do prasowania poddaje się działaniu zjawiskom fizykomechanicznym w postaci wibracji lub ruchom obrotowym lub posuwisto-zwrotnym lub rewersyjnym lub oddziaływaniu pola elektromagnetycznego lub ultradźwiękom.

Z innego polskiego opisu patentowego PL216505 znany jest kompozytowy materiał metalowo -ceramiczny, w którym zarówno faza metalowa jak i faza ceramiczna są fazami ciągłymi w trzech kierunkach, otrzymywany przez infiltrację metalu do ceramiki piankowej otrzymanej metodą żelowania spienionej zawiesiny oraz sposób jego otrzymywania. Kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny, którego faza ceramiczna jest fazą ciągłą w trzech kierunkach otrzymana jest metodą żelowania spienionej zawiesiny, posiadający przestrzenną strukturę wzajemnie przenikających się szkieletów fazy ceramicznej i fazy metalowej, charakteryzuje się tym, że stanowi go faza ceramiczna piankowa o porowatości otwartej 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 μm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 μm i faza metalowa, którą stanowi stop aluminium w ilości do 90% objętości kompozytowego materiału. Sposób wytwarzania kompozytowego materiału metalowo-ceramicznego polega na tym, że do porowatej kształtki ceramicznej wytworzonej metodą żelowania spienionej zawiesiny, o porowatości w zakresie 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 μm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 μm i wysokości do 50 mm wprowadza się, stosując infiltrację ciśnieniową, stop aluminium o czystości technicznej i temperaturze od 680°C do 740°C pod ciśnieniem nie przekraczającym 40 MPa w czasie od 1 do 3 minuty. Tak uzyskany kompozyt chłodzi się utrzymując go pod ciśnieniem od 2 do 4 MPa, z szybkością do 10°C/min do temperatury 450°C, po czym prowadzi się dalsze chłodzenie bez obciążenia do temperatury otoczenia. Proces infiltracji prowadzi się umieszczając kształtkę ceramiczną w kokili grafitowej podgrzanej do temperatury co najmniej 580°C, która utrzymywana jest w procesie infiltracji.

W opisanych powyżej sposobach infiltracji porowatych preform ceramicznych ciekłym metalem wykorzystano stosunkowo wysokie ciśnienie wywołane wskutek ruchu tłoka prasującego. Skutkiem działania wysokiego ciśnienia w procesie infiltracji jest pękanie szkieletów ceramicznych, a tym samym uszkodzenie przestrzennie porowatej struktury. W rezultacie w materiale kompozytowym po infiltracji ciśnieniowej występują nieciągłości strukturalne obniżające jego właściwości użytkowe.

Ponadto z polskiego opisu patentowego PL236021 znany jest sposób wytwarzania kompozytowych odlewów ceramiczno-metalicznych polegający na infiltracji ciśnieniowej preform ceramicznych ciekłym metalem charakteryzuje się tym, że proces infiltracji prowadzi się dwuetapowo. W pierwszym etapie porowatą kształtkę ceramiczną, taką jak: AI2O3, ZrO lub SiC, o porowatości otwartej od 50% do 90% i rozmiarze makroporów od 150 μm do 4000 μm umieszcza się w formie i wygrzewa w temperaturze do 120°C, równocześnie w tyglu topi się stop aluminium lub magnezu pod ciśnieniem nie przekraczającym 5kPa, w zakresie temperatury od 640°C do 720°C, po czym formę zanurza się pod lustro ciekłego metalu, pod ciśnieniem korzystnie 4 MPa stosując infiltrację ciśnieniowo-gazową, następnie przemieszcza się formę do górnej strefy pieca, studzi do temperatury 120°C. W drugim etapie stop aluminium lub magnezu umieszcza się w tyglu, topi się w temperaturze do 720°C, uprzednio wytworzony kompozyt umieszcza się w wirującej formie i wygrzewa do 350°C, następnie wprowadza w ruch z prędkością obrotową korzystnie 4000 obr/min, po czym zalewa ciekłym metalem, odlew studzi się. W wyniku działania ciśnienia zewnętrznego wywołanego działaniem siły odśrodkowej, następuje trwale połączenie pomiędzy stopem osnowy i kompozytem ceramiczno-metalowym, stanowiącym lokalne zbrojenie w odlewie. W procesie wytwarza się odlew kompozytowy z lokalnym zbrojeniem ceramiczno-metalicznym o funkcjonalnej, przestrzennej strukturze wzajemnie przenikających się faz.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego sposobu wytwarzania kompozytów, który zapewni pełne wypełnienie porów w stosowanych kształtkach ceramicznych oraz nie spowoduje uszkodzenia szkieletu porowatej ceramiki.

Sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem zwłaszcza hybrydowym polegający na niskociśnieniowej infiltracji kształtek ceramicznych ciekłym metalem polega na tym, że proces infiltracji prowadzi się w grafitowej dwudzielnej formie, umieszczonej w ceramicznej osłonie tak, że w dolnej części formy umieszcza się porowatą kształtkę ceramiczną/hybrydową o porowatości otwartej od 50% do 90% i rozmiarze porów od 10 μm do 4000 μm, natomiast w górnej części formy umieszcza się wlewek stopu osnowy, przy czym pomiędzy ścianką dolnej części formy, a powierzchnią kształtki znajduje się wolna przestrzeń wynoszącą co najmniej 1 mm, przed rozpoczęciem procesu komora grzejna pieca jest co najmniej dwukrotnie napełniana gazem ochronnym do ciśnienia 500 kPa, opróżniana do ciśnienia 5 kPa, następnie prowadzi się proces topienia osnowy metalowej w temperaturze od 640°C do 720°C w atmosferze ochronnej gazu ochronnego, po ustaleniu się temperatury ciekłego metalu ponownie napełnia się komorę gazem ochronnym do ciśnienia 4 kPa w czasie nie dłuższym niż 60 s, chłodzi do temperatury co najwyżej 50°C.

Korzystnie w sposobie wytwarzania kompozytów według wynalazku kształtka ceramiczna/hybrydowa wykonana z SiC lub SiO2 lub SiO2/SiC/grafen.

Korzystnie w sposobie wytwarzania kompozytów według wynalazku kształtka ma postać walca o średnicy i wysokości o 1 mm mniejszej w stosunku do wnęki formy.

Korzystnie w sposobie wytwarzania kompozytów według wynalazku jako stop osnowy stosuje się aluminium lub magnez.

Korzystnie w sposobie wytwarzania kompozytów według wynalazku wlewek stopu osnowy ma postać walca o średnicy co najmniej 1 mm mniejszej od średnicy górnej części formy i 1 mm mniejszej wysokości w stosunku do wysokość górnej części formy.

Korzystnie w sposobie wytwarzania kompozytów według wynalazku jako gaz ochronny stosuje się gazy techniczne: argon, azot.

Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach wykonania.

Przykład 1

Sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem w tym szkieletem hybrydowym polega na tym, że proces realizowany jest w grafitowej dwudzielnej formie umieszczonej w ceramicznej osłonie. Hybrydową kształtkę ceramiczną, taką jak: SiO2/SiC o porowatości otwartej wynoszącej 70% i rozmiarze porów 500 μm, umieszcza się w dolnej części formy grafitowej o średnicy 31 mm i wysokości wnęki 26 mm przy czym pomiędzy ścianką formy, a powierzchnią kształtki pozostaje wolna przestrzeń wynosząca co najmniej 1 mm. W górnej części formy umieszcza się walcowy wlewek stopu osnowy MgAl9Zn1 o średnicy 30 mm i wysokości 30 mm, natomiast górna część formy jest otwarta. Pomiędzy górną, a dolną częścią formy uformowany jest kanał zasilający o średnicy wynoszącej 15 mm. Po złożeniu dwudzielna forma wraz z osłoną ceramiczną umieszczana jest w komorze grzejnej pieca autoklawowego. Przed rozpoczęciem procesu komorę grzejną pieca autoklawowego napełnia się argonem do ciśnienia 500 kPa po czym uruchamia pompę próżniową, która usuwa gaz i obniża ciśnienia w komorze do 5 kPa. Proces powtarza się dwa razy. Następnie uruchamia się grzałki komory grzejnej, aby uzyskać temperaturę 700°C. Temperaturę metalu kontroluje się za pomocą termopary umieszczonej w górnej części grafitowej formy. Proces topienia stopu osnowy realizowany jest w atmosferze ochronnej argonu. Po ustaleniu się temperatury 700°C w czasie 15 min uruchamia się zawór gazowy pieca autoklawowego, który pozwala napełnić komorę grzejną pieca autoklawowego argonem do ciśnienia 4 kPa, proces prowadzi się w czasie 60 sekund. W wyniku ciśnienia gazu na lustro ciekłego metalu stop osnowy przepływa przez kanał zasilający i wypełnienia dolną część formy, w której umieszczona jest hybrydowa kształtka ceramiczna. Po 5 minutach wyłącza się grzanie komory grzejnej pieca autoklawowego, natomiast forma grafitowa w osłonie ceramicznej przenoszona jest do komory chłodzenia pieca autoklawowego za pomocą ruchomego wysięgnika. W czasie stygnięcia odlewu kompozytowego ciśnienie argonu obniża się do 500 kPa otwierając zawór spustowy pieca. Po osiągnięciu przez odlew temperatury poniżej 50°C komorę roboczą pieca opróżnia się z argonu i otwiera piec.

Przykład 2

Sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem w tym szkieletem hybrydowym polega na tym, że proces realizowany jest w grafitowej dwudzielnej formie umieszczonej w ceramicznej osłonie. Hybrydową kształtkę ceramiczną, taką jak: SiO2/SiC o porowatości otwartej wynoszącej 70% i rozmiarze porów 500 μm, umieszcza się w dolnej części formy grafitowej o średnicy 31 mm i wysokości wnęki 26 mm przy czym pomiędzy ścianką formy, a powierzchnią kształtki pozostaje wolna przestrzeń wynosząca co najmniej 1 mm. W górnej części formy umieszcza się walcowy wlewek stopu osnowy AISi12CuNiMg o średnicy 30 mm i wysokości 30 mm, natomiast górna część formy jest otwarta. Pomiędzy górną, a dolną częścią formy uformowany jest kanał zasilający o średnicy wynoszącej 15 mm. Po złożeniu dwudzielna forma wraz z osłoną ceramiczną umieszczana jest w komorze grzejnej pieca autoklawowego. Przed rozpoczęciem procesu komorę grzejną pieca autoklawowego napełnia się argonem do ciśnienia 500 kPa po czym uruchamia pompę próżniową, która usuwa gaz i obniża ciśnienia w komorze do 5kPa. Proces powtarza się dwa razy. Następnie uruchamia się grzałki komory grzejnej, aby uzyskać temperaturę 720°C. Temperaturę metalu kontroluje się za pomocą termopary umieszczonej w górnej części grafitowej formy. Proces topienia stopu osnowy realizowany jest w atmosferze ochronnej azotu. Po ustaleniu się temperatury 720°C w czasie 15 min uruchamia się zawór gazowy pieca autoklawowego, który pozwala napełnić komorę grzejną pieca autoklawowego azotem do ciśnienia 4 kPa, proces prowadzi się w czasie 60 sekund. W wyniku ciśnienia gazu na lustro ciekłego metalu stop osnowy przepływa przez r kanał zasilający i wypełnienia dolną część formy, w której umieszczona jest hybrydowa kształtka ceramiczna. Po 5 minutach wyłącza się grzanie komory grzejnej pieca autoklawowego, natomiast forma grafitowa w osłonie ceramicznej przenoszona jest do komory chłodzenia pieca autoklawowego za pomocą ruchomego wysięgnika. W czasie stygnięcia odlewu kompozytowego ciśnienie azotu obniża się do 500 kPa otwierając zawór spustowy pieca. Po osiągnięciu przez odlew temperatury poniżej 50°C komorę roboczą pieca opróżnia się z azotu i otwiera piec.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zastosowanie infiltracji niskociśnieniowej, która zapewnia pełne wypełnienie porów w stosowanych kształtkach ceramicznych, natomiast nie uszkadza szkieletu porowatej ceramiki. Ponadto zapewnia stabilność szkieletów hybrydowych również zawierających grafen tak, że płytki grafenu nie aglomerują w osnowie metalowej.

Claims (6)

1. Sposób wytwarzania kompozytów z ceramicznym szkieletem zwłaszcza hybrydowym polegający na niskociśnieniowej infiltracji kształtek ceramicznych ciekłym metalem znamienny tym, że proces infiltracji prowadzi się w grafitowej dwudzielnej formie, umieszczonej w ceramicznej osłonie tak, że w dolnej części formy umieszcza się porowatą kształtkę ceramiczną/hybrydową o porowatości otwartej od 50% do 90% i rozmiarze porów od 10 μm do 4000 μm, natomiast w górnej części formy umieszcza się wlewek stopu osnowy, przy czym pomiędzy ścianką dolnej części formy, a powierzchnią kształtki znajduje się wolna przestrzeń wynoszącą co najmniej 1 mm, przed rozpoczęciem procesu komora grzejna pieca jest co najmniej dwukrotnie napełniana gazem ochronnym do ciśnienia 500 kPa, opróżniana do ciśnienia 5 kPa, następnie prowadzi się proces topienia osnowy metalowej w temperaturze od 640°C do 720°C w atmosferze ochronnej gazu ochronnego, po ustaleniu się temperatury ciekłego metalu ponownie napełnia się komorę gazem ochronnym do ciśnienia 4 kPa w czasie nie dłuższym niż 60 s, chłodzi do temperatury co najwyżej 50°C.

2. Sposób wytwarzania kompozytów według zastrz, 1 znamienny tym, że kształtka ceramiczną/hybrydową wykonana z SiC lub SiO2 lub SiO2/SiC/grafen.

3. Sposób wytwarzania kompozytów według zastrz. 1 znamienny tym, że kształtka ma postać walca o średnicy i wysokości o 1 mm mniejszej w stosunku do wnęki formy.

4. Sposób wytwarzania kompozytów według zastrz. 1 znamienny tym, że jako stop osnowy stosuje się aluminium lub magnez.

5. Sposób wytwarzania kompozytów według zastrz. 1 znamienny tym, że wlewek stopu osnowy ma postać walca o średnicy co najmniej 1 mm mniejszej od średnicy górnej części formy i 1 mm mniejszej wysokości w stosunku do wysokość górnej części formy.

6. Sposób wytwarzania kompozytów według zastrz. 1 znamienny tym, że jako gaz ochronny stosuje się: argon, azot.