Silizio-karburoaren zeramika eta haien fabrikazio-prozesu desberdinak

Silizio karburoa (SiC) zeramikaoso erabiliak dira aplikazio zorrotzetan, hala nola, doitasuneko errodamenduetan, zigiluak, gas-turbinetako errotoreak, osagai optikoak, tenperatura altuko pitak, bero-trukagailuaren osagaiak eta erreaktore nuklearren materialak. Erabilera hedatu hau aparteko propietateetatik dator, besteak beste, higadura-erresistentzia handia, eroankortasun termiko bikaina, oxidazio-erresistentzia handiagoa eta tenperatura altuko propietate mekaniko bikainak. Hala ere, SiC-ren berezko lotura kobalente sendoak eta difusio-koefiziente baxuak erronka garrantzitsua dakar sinterizazio prozesuan dentsifikazio handia lortzeko. Ondorioz, sinterizazio-prozesua funtsezko urratsa bihurtzen da errendimendu handikoa lortzekoSiC zeramika.

Artikulu honek trinkoak ekoizteko erabiltzen diren fabrikazio-tekniken ikuspegi orokorra eskaintzen duRBSiC/PSSiC/RSiC zeramika, haien ezaugarri eta aplikazio bereziak nabarmenduz:

1. Erreakzio Loturadun Silizio Karburoa (RBSiC)

RBSiCsilizio karburoaren hautsa (normalean 1-10 μm) karbonoarekin nahastea dakar, nahastea gorputz berde batean moldatzea eta tenperatura altuak jasaten silizioa infiltratzeko. Prozesu horretan, silizioak karbonoarekin erreakzionatzen du SiC eratzeko, eta lehendik dauden SiC partikulei lotzen zaie, azkenean dentsifikazioa lortuz. Siliziozko infiltrazio primarioko bi metodo erabiltzen dira:

Silizio likidoaren infiltrazioa: silizioa bere urtze-puntutik gora berotzen da (1450-1470 °C), eta silizio urtua gorputz berde porotsua infiltratzen da ekintza kapilarren bidez. Silizio urtuak karbonoarekin erreakzionatzen du, SiC sortuz.

Silizio-lurrunaren infiltrazioa: silizioa bere urtze-puntutik haratago berotzen da silizio-lurruna sortzeko. Lurrun horrek gorputz berdea zeharkatzen du eta, ondoren, karbonoarekin erreakzionatzen du, SiC sortuz.

Prozesuaren fluxua: SiC hautsa + C hautsa + Aglutinatzailea → Konformazioa → Lehortzea → Aglutinatzailea erretzea atmosfera kontrolatuan → Tenperatura handiko Si infiltrazioa → Postprozesatzea

(1) Oinarri nagusiak:

-ren funtzionamendu-tenperaturaRBSiCmaterialaren hondar silizio askearen edukiak mugatzen du. Normalean, funtzionamendu-tenperatura maximoa 1400 °C ingurukoa da. Tenperatura horretatik gora, materialaren indarra azkar hondatzen da silizio librea urtzearen ondorioz.

Silizio likidoaren infiltrazioak silizio-eduki handiagoa utzi ohi du (normalean % 10-15, batzuetan % 15 gainditzen du), eta horrek azken produktuaren propietateetan eragin negatiboa izan dezake. Aitzitik, silizio-lurrunaren infiltrazioak hondar silizio-edukia hobeto kontrolatzeko aukera ematen du. Gorputz berdearen porositatea gutxituz, sinterizazioaren ondoren hondar silizio-edukia % 10etik behera murrizten da, eta prozesu kontu handiz kontrolatuz, % 8tik behera ere. Murrizketa horrek nabarmen hobetzen du azken produktuaren errendimendu orokorra.

Garrantzitsua da hori kontuan hartzeaRBSiC, infiltrazio-metodoa edozein dela ere, ezinbestean silizio hondarren bat edukiko du (% 8tik % 15etik gorakoa). Horregatik,RBSiCez da silizio karburozko zeramika monofasikoa, "silizio + silizio karburo" konposatu bat baizik. Ondorioz,RBSiCgisa ere aipatzen daSiSiC (siliziozko silizio karburo konposatua).

(2) Abantailak eta aplikazioak:

RBSiChainbat abantaila eskaintzen ditu, besteak beste:

Sinterizazio-tenperatura baxua: Horrek energia-kontsumoa eta ekoizpen-kostuak murrizten ditu.

Kostu-eraginkortasuna: Prozesua nahiko erraza da eta erraz eskura daitezkeen lehengaiak erabiltzen ditu, bere merkean laguntzen du.

Dentsifikazio handia:RBSiCdentsitate-maila altuak lortzen ditu, propietate mekanikoak hobetzen ditu.

Near-Net Shaping: Karbono eta siliziozko karburoko preformak forma korapilatsuetarako aurrez mekanizatu daitezke, eta sinterizazioan gutxieneko uzkurdurak (normalean % 3 baino gutxiago) dimentsioko zehaztasun bikaina bermatzen du. Honek sinterizazio osteko mekanizazio garestiaren beharra murrizten duRBSiCbereziki egokia da forma konplexuko osagai handietarako.

Abantaila hauen ondorioz,RBSiCerabilera zabala du hainbat industria-aplikaziotan, batez ere fabrikaziorako:

Labearen osagaiak: Forruak, arragoa eta saggars.

Espazio ispiluak:RBSiCHedapen termikoko koefiziente baxuak eta modulu elastiko handiak material ezin hobea da espazioan oinarritutako ispiluetarako.

Tenperatura handiko bero-trukagailuak: Refel (Erresuma Batua) bezalako enpresak aitzindari izan dira erabileranRBSiCtenperatura altuko bero-trukagailuetan, prozesaketa kimikotik hasi eta energia-sorkuntzara bitarteko aplikazioekin. Asahi Glassek (Japonia) ere bereganatu du teknologia hori, eta 0,5 eta 1 metro arteko luzera duten bero-trukerako hodiak ekoizten ditu.

Gainera, erdieroaleen industrian oble handien eta prozesatzeko tenperatura altuagoen eskaera gero eta handiagoak purutasun handikoen garapena bultzatu du.RBSiCosagaiak. Garbitasun handiko SiC hautsa eta silizioa erabiliz fabrikatutako osagai hauek, pixkanaka-pixkanaka, kuartzozko beirazko piezak ordezkatzen ari dira elektroi-hodietarako eta erdieroaleen obleak prozesatzeko ekipoetarako euskarri-planetan.

Semicorex RBSiC Ostia Hedapen Laberako

(3) Mugak:

Abantailak izan arren,RBSiCmuga batzuk ditu:

Silizio hondarra: Lehen esan bezala,RBSiCprozesuak berez silizio askea sortzen du azken produktuan. Hondar-silizio honek negatiboki eragiten die materialaren propietateei, besteak beste:

Erresistentzia eta higadura erresistentzia murriztua beste batzuekin alderatutaSiC zeramika.

Korrosioarekiko erresistentzia mugatua: silizio askea disoluzio alkalinoek eta azido fluorhidrikoek bezalako azido sendoek eraso dezakete, murrizten dute.RBSiChorrelako inguruneetan erabiltzea.

Tenperatura altuko erresistentzia txikiagoa: silizio askearen presentziak funtzionamendu-tenperatura maximoa 1350-1400 °C-ra mugatzen du.

2. Presiorik gabeko sinterizazioa - PSSiC

Silizio karburoaren presiorik gabeko sinterizazioaforma eta tamaina ezberdineko laginak dentsifikatzea lortzen du 2000-2150°C arteko tenperaturetan atmosfera geldo batean eta kanpoko presiorik egin gabe, sinterizazio-laguntza egokiak gehituz. SiC-ren presiorik gabeko sinterizazio teknologia heldu egin da, eta bere abantailak ekoizpen-kostu baxuan eta produktuen forman eta tamainan mugarik ez izatean daude. Batez ere, fase solidoko SiC zeramika sinterizatuak dentsitate handia, mikroegitura uniformea ​​eta materialaren propietate integral bikainak ditu, higadura-erresistentzia eta korrosioarekiko zigilatzeko eraztunetan, errodamendu lerragarrietan eta beste aplikazio batzuetan oso erabiliak.

Silizio karburoaren presiorik gabeko sinterizazio-prozesua fase solidoetan bana daitekesilizio karburo sinterizatua (SSiC)eta fase likidoko silizio-karburo sinterizatua (LSiC).

Presiorik gabeko fase solidoko silizio karburo sinterizatuaren mikroegitura eta ale-muga

Fase solidoko sinterizazioa Prochazka zientzialari estatubatuarrak asmatu zuen lehen aldiz 1974an. β-SiC azpimikroiari boro eta karbono kopuru txiki bat gehitu zion, silizio karburoaren presiorik gabeko sinterizazioa lortuz eta gorputz sinterizatu trinko bat lortuz, dentsitatearen %95etik hurbil. balio teorikoa. Ondoren, W. Btcker-ek eta H. Hansnerrek α-SiC erabili zuten lehengai gisa eta boroa eta karbonoa gehitu zituzten silizio-karburoaren dentsifikazioa lortzeko. Geroago egindako ikerketa askok erakutsi dute boro eta boro konposatuek eta Al eta Al konposatuek silizio karburoarekin soluzio solidoak sor ditzaketela sinterizazioa sustatzeko. Karbonoa gehitzea onuragarria da sinterizatzeko silizio dioxidoarekin erreakzionatuz silizio karburoaren gainazalean, gainazaleko energia handitzeko. Silizio karburo sinterizatuko fase solidoko ale-mugak nahiko "garbiak" ditu, funtsean fase likidorik gabe, eta aleak erraz hazten dira tenperatura altuetan. Hori dela eta, haustura transgranularra da, eta indarra eta haustura gogortasuna, oro har, ez dira altuak. Hala eta guztiz ere, bere ale-muga "garbiak" direla eta, tenperatura altuko indarra ez da aldatzen tenperatura handituz eta, oro har, egonkor mantentzen da 1600 °C arte.

Silizio-karburoaren fase likidoko sinterizazioa M.A. Mulla zientzialari estatubatuarrak asmatu zuen 1990eko hamarkadaren hasieran. Bere sinterizazio gehigarri nagusia Y2O3-Al2O3 da. Fase likidoko sinterizazioak sinterizazio tenperatura baxuagoaren abantaila du fase solidoko sinterizazioarekin alderatuta, eta alearen tamaina txikiagoa da.

Fase solidoko sinterizazioaren desabantaila nagusiak beharrezkoak diren sinterizazio-tenperatura altua (>2000 °C), lehengaien purutasun-eskakizun handiak, gorputz sinterizatuaren haustura-gogortasun baxua eta haustura-indarraren sentsibilitate handia dira pitzaduretarako. Egitura aldetik, aleak lodiak eta irregularrak dira, eta haustura modua normalean transgranularra da. Azken urteotan, silizio-karburozko zeramikazko materialei buruzko ikerketak, etxean eta atzerrian, fase likidoko sinterizazioan zentratu dira. Fase likidoko sinterizazioa lortzen da osagai anitzeko oxido eutektiko baxuen kopuru jakin bat sinterizatzeko laguntza gisa. Esaterako, Y2O3-ren laguntza bitar eta ternarioek SiC eta bere konpositeek fase likidoko sinterizazioa izan dezakete, materialaren dentsifikazio ezin hobea lortuz tenperatura baxuagoetan. Aldi berean, alearen muga-fase likidoa sartzearen ondorioz eta interfazearen lotura-indar berezia ahultzearen ondorioz, zeramikazko materialaren haustura-modua haustura-modu intergranular batera aldatzen da eta zeramikazko materialaren haustura-gogortasuna nabarmen hobetzen da. .

3. Silizio-karburo birkristalizatua - RSiC

Silizio karburo birkristalizatua (RSiC)purutasun handiko SiC materiala da, purutasun handiko silizio karburoa (SiC) hautsez egina, bi partikula tamaina ezberdin dituena, lodia eta fina. Tenperatura altuetan (2200-2450°C) sinterizatzen da lurruntze-kondentsazio mekanismo baten bidez, sinterizazio lagungarririk gehitu gabe.

Oharra: sinterizazio-laguntzarik gabe, sinterizazio-lepoaren hazkuntza, oro har, gainazaleko difusioaren edo lurruntze-kondentsazio masaren transferentziaren bidez lortzen da. Sinterizazio-teoria klasikoaren arabera, masa-transferentzia-metodo hauetako batek ere ezin du ukipen-partikulen masa-zentroen arteko distantzia murriztu, beraz, eskala makroskopikoan ez du uzkurtzerik eragin, hau da, dentsifikaziorik gabeko prozesu bat da. Arazo hori konpontzeko eta dentsitate handiko silizio-karburoko zeramika lortzeko, jendeak neurri asko hartu ditu, hala nola, beroa aplikatzea, sinterizatzeko laguntzak gehitzea edo beroa, presioa eta sinterizaziorako lagungarrien konbinazioa erabiltzea.

Silizio karburo birkristalizatuaren haustura gainazalaren SEM irudia

Ezaugarriak eta aplikazioak:

RSiCSiC% 99 baino gehiago dauka eta, funtsean, ez du ale-mugako ezpurutasunik, SiC-ren propietate bikain asko mantenduz, hala nola, tenperatura altuko erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia eta shock termikoaren erresistentzia. Hori dela eta, oso erabilia da tenperatura altuko labeen altzarietan, errekuntza-toberetan, eguzki-bihurgailu termikoetan, diesel ibilgailuen ihes-gasak arazteko gailuetan, metalen galdaketan eta errendimendu-eskakizun oso zorrotzak dituzten beste ingurune batzuetan.

Lurruntze-kondentsazio sinterizazio mekanismoa dela eta, ez da uzkurtzerik gertatzen tiro prozesuan, eta ez da hondar-tentsiorik sortzen produktuaren deformazioa edo pitzadura eragiteko.

RSiCHainbat metodorekin osa daiteke, hala nola irristagarri galdaketa, gel galdaketa, estrusioa eta prentsaketa. Tiketa prozesuan uzkurtzerik ez dagoenez, erraza da forma eta tamaina zehatzak dituzten produktuak lortzea, gorputz berdearen dimentsioak ondo kontrolatzen badira.

KaleratuakSiC produktu birkristalizatuagutxi gorabehera %10-%20 hondar poroak ditu. Materialaren porositatea gorputz berdearen porositatearen araberakoa da neurri handi batean, eta ez da nabarmen aldatzen sinterizazio tenperaturarekin, porositatea kontrolatzeko oinarria eskainiz.

Sinterizazio mekanismo honen arabera, materialak elkarri lotuta dauden poro ugari ditu, eta material porotsuen arloan aplikazio ugari ditu. Esaterako, ohiko produktu porotsuak ordezkatu ditzake ihes gasen iragazketa eta erregai fosilen airearen iragazketa alorretan.

RSiCale-muga oso argi eta garbiak ditu, beirazko faserik eta ezpurutasunik gabe, edozein oxido edo metal ezpurutasun lurrundu egin delako 2150-2300°C-ko tenperatura altuetan. Lurruntze-kondentsazio sinterizazio mekanismoak SiC (SiC edukia barne).RSiC% 99tik gorakoa da, SiC-ren propietate bikain asko mantenduz, tenperatura altuko erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia eta shock termikoarekiko erresistentzia eskatzen duten aplikazioetarako egokia da, hala nola, tenperatura altuko labeko altzariak, errekuntza-toberak, eguzki-bihurgailu termikoak eta metal-galdaketak. .**