MATERIAL COMPOSITE RESISTENTE A LAS ALTAS TEMPERATURAS Y RESISTENTE AL CALOR "REFSIC".

Material composite resistente a las altas temperaturas y resistente al calor "refsic" CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a unos materiales destinados a utilizarse en un medio oxidante con temperaturas altas, que comprende la realización de unos calefactores eléctricos de alta temperatura, piezas, sensores y herramientas que funcionan a temperaturas de hasta 1900ºC y superiores. TÉCNICA ANTERIOR En la técnica se conocen unos materiales composite refractarios producidos empleando técnicas de pulvimetalurgia, con una matriz de disiliciuro de molibdeno (MoSi2), reforzada con unas fibras de SiC. La concentración total de carburo de silicio en este caso no supera el 40% en volumen. A fin de preservar las altas propiedades de la fibra de carburo de silicio, la temperatura de la interacción de difusión entre el disiliciuro de molibdeno y el carburo de silicio se limita a 1400ºC. Un inconveniente del que adolece el material resultante es una alta porosidad y la propensión a la formación de grietas, en particular tras someterse a ciclos de temperatura. Además, es necesario utilizar un equipo costoso para la compresión en caliente a 1375ºC durante 1 a 1,5 horas a una presión de 28 a 240 MPa. Las altas propiedades mecánicas del material se preservan únicamente a temperaturas no superiores a 1400ºC (M.J. Maloney, R.J. Hecht, Development of continuous-fiber-reinforced MoSi2-base composites, Materials Science and Engineering, v. A155, 1992, páginas 19-31). La técnica anterior más relevante para la invención propuesta es el material composite de alta temperatura producido mediante técnicas de pulvimetalurgia y que comprende entre el 15 y el 45 % en volumen de carburo de silicio en una matriz de disiliciuro de molibdeno. Dicho material presenta una porosidad baja (R.M. Aikin, Jr., Strengthening of discontinuously reinforced MoSi2 composites at high temperatures, Materials Science and Engineering, vol. A155, 1992, páginas 121-133). Los inconvenientes principales del material son su estabilidad insuficiente al someterse a los ciclos de temperatura (calentamiento repetido hasta alcanzar las temperaturas de trabajo y enfriamiento tras el funcionamiento), en particular en el caso de unos cambios de temperatura bruscos (choques térmicos); y un nivel insuficiente de resistencia al calor. Los insumos de trabajo y los gastos que implica la realización de unos productos de configuraciones intricadas y tamaño grande aumentan, ya que los materiales conocidos que comprenden disiliciuro de molibdeno y carburo de silicio se producen empleando unas técnicas de pulvimetalurgia que requieren la preparación de unas fibras y de unos polvos de grano fino de partida, la mezcla de los mismos, así como la utilización de una compresión en caliente técnicamente complicada y costosa a temperaturas de 1300 a 1800ºC durante 1 a 10 horas en el vacío o en una atmósfera protegida bajo una presión de hasta 310 MPa. ESENCIA DE LA INVENCIÓN Un objetivo de la presente invención es proporcionar unos materiales con una resistencia al calor, una resistencia a los choques térmicos y una termoestabilidad altas, viniendo ello asegurado mediante la introducción de unos disiliciuros, de diferente composición y en diferentes cantidades, en el material, obteniendo un material con unas proporciones diferentes de las fases principales (siliciuros de metales de punto de fusión alto, carburo de silicio y carbono) con estructura diferente (disposición mutua de las fases, su tamaño y forma, orientación cristalográfica, etc.) y, por lo tanto, con una combinación diferente de las propiedades útiles indicadas. Dicho objetivo se obtiene de tal modo que un material composite que comprende disiliciuro de molibdeno y carburo de silicio, comprenda además W5Si3 y Mo5Si3 y/o (Mo, W)5Si3 y/o (Mo, W)5Si3C, así como WSi2 y/o (Mo,W)Si2 con la proporción de los componentes (en % en volumen) siguiente: W5Si3 y Mo5Si3 y/o (Mo, W)5Si3 y/o (Mo, W)5Si3C y/o (Mo5Si3C 15-85%, Carburo de silicio Disiliciuros de tungsteno y/o molibdeno 2-85%, WSi2 y MoSi2 y/o (Mo,W)Si2 0,8-55%, oscilando la proporción de molibdeno y tungsteno en la masa total de los metales de punto de fusión alto en el material dentro de (% en peso): Mo 7-80%, W 20-93% 2   El material composite puede comprender asimismo renio en una proporción de 0,5 a 20 de porcentaje atómico del contenido total del molibdeno y tungsteno sustituido por el mismo en el material. Además, el material composite puede comprender adicionalmente unas inclusiones de fibras de carbono y/o grafito que sustituyen parcialmente al carburo de silicio, en un 5 al 80% en volumen del volumen no ocupado por los siliciuros de los metales de alto punto de fusión. Además, el material composite puede realizarse de una pluralidad de capas, siendo las capas interiores del mismo de grafito y/o unas capas de tela de carbono pirocompactado o de otro material de carbono denso o de carburo de silicio. Por otra parte, el material composite puede contener en las fases de siliciuro por lo menos un elemento del grupo de tántalo, niobio, titanio, zirconio, hafnio, con la proporción siguiente de dichos componentes con respecto a la masa total de molibdeno y tungsteno que sustituyen, en % en peso: Ta, 0,1 a 18; Nb, 0,1 a 8; Ti, 0,05 a 10; Zr, 0,05 a 8; Hf, 0,1 a16. Además, el material composite puede contener poros que ocupen del 15 al 78% del volumen del material. El material composite puede contener asimismo en su composición por lo menos uno de los elementos que fijan activamente oxígeno: boro, germanio, aluminio, magnesio, bario, estroncio, calcio, sodio, potasio, itrio, escandio, y elementos de tierras raras (lantanoides) en un porcentaje del 0,1 al 2% en peso. La esencia de la presente invención radica asimismo en que un calefactor eléctrico de alta temperatura se realiza a partir de un material composite según la presente invención, en el que diferentes partes del calefactor pueden realizarse a partir de diferentes variantes de los compuestos o estructuras del material composite; dicho calefactor eléctrico de alta temperatura puede realizarse en su totalidad a partir de dicho material o con únicamente la parte activa del calefactor eléctrico o la parte de temperatura más alta de los conductores de corriente realizada a partir de dicho material. La esencia de la presente invención radica asimismo en que la pieza estructural que funciona a una temperatura alta puede realizarse en su totalidad a partir del material composite de la presente invención, realizándose unas partes de dicha pieza a partir de diferentes variantes de las composiciones o estructuras del mismo; dicha pieza puede realizarse en su totalidad a partir de dicho material o únicamente la parte de más alta temperatura de dicha pieza puede realizarse a partir de dicho material. Se ha establecido experimentalmente, que valores relativamente próximos de los factores de expansión térmica de las fases que entran en la composición del material composite, (3-19)x10 -6 /grado, en todo el intervalo de temperatura de su existencia en la forma sólida, la aparición de una plasticidad perceptible en las fases de siliciuro a temperaturas superiores a 1100ºC, permiten evitar la formación de grietas tanto cuando de prepara el material composite como durante los ciclos de temperatura a que se somete el mismo, si dichas fases se utilizan en las proporciones indicadas en las reivindicaciones. Todas dichas fases son químicamente compatibles entre sí a temperaturas inferiores a 1850ºC, las variaciones de solubilidad mutuas con temperatura para los componentes principales son insignificantes, y ello contribuye asimismo a la resistencia al calor y estabilidad de los materiales de la presente invención durante los ciclos de temperatura a los que se someten. La utilización de unas composiciones MeSi2-Me5Si3 de tipo eutéctico con temperaturas superiores a 1900ºC hace posible tratar una amplia gama de materiales de carbono y de carburo de silicio con masas fundidas de siliciuro. Dichas masas fundidas humedecen adecuadamente tanto los materiales de carbono como los de carburo de silicio, penetrando bajo el efecto de las fuerzas de capilaridad en todos los huecos de su interior: poros, grietas, grietas capilares, etc. Como resultado de ello, la porosidad de los materiales obtenidos, por regla general, no supera el 10% en volumen, siendo normalmente del 3 al 5%. Si la porosidad resulta útil, por ejemplo desde el punto de vista del aumento de la resistencia eléctrica o de la reducción de la conductividad térmica del material, puede proporcionarse expresamente dentro de los límites controlados, indicados en las reivindicaciones. Cuando el material composite propuesto se prepara a partir de unos materiales de partida que comprenden carbono, se utilizan unas reacciones de desplazamiento (Me = Mo, W): 5MeSi2 + 7C -> Me5Si3 + 7SiC (1) 5MoSi2 + 8C -> Mo5Si3C... [Seguir leyendo]

1. Material composite refractario y resistente a la temperatura que comprende carburo de silicio y disiliciuro de molibdeno MoSi2, caracterizado porque comprende además W5Si3 y Mo5Si3 y/o (Mo,W)5Si3 y/o (Mo,W)5Si3C y/o Mo5Si3C y asimismo WSi2 y/o (Mo,W)Si2 con la proporción siguiente de los componentes (en % en volumen): (i) Total de W5Si3 , Mo5Si3 , (Mo,W)5Si3 (Mo,W)5Si3C y Mo5Si3C: 15 a 85%, (ii) Carburo de silicio: 2 a 85%, (iii) Total de disiliciuros de tungsteno y molibdeno WSi2 y MoSi2, y (Mo,W)Si2: 0,8 a 55%, oscilando la proporción de molibdeno y tungsteno en la masa total de los metales de punto de fusión alto en el material entre (en % en peso): Mo 7 a 80%, W 20 a 93%, pudiendo el renio sustituir opcionalmente entre el 0,5 y el 20, en % atómico, del molibdeno y del tungsteno en el material, y por lo menos uno de los elementos tántalo, niobio, titanio, zirconio, hafnio puede sustituir opcionalmente al molibdeno y al tungsteno en las fases de siliciuro en las cantidades siguientes con respecto al contenido total de molibdeno y tunsgteno (en % en peso): Ta, 0,1 a 18; Nb, 0,1 a 8; Ti, 0,05 a 10; Zr, 0,05 a 8; Hf, 0,1 a 16 y unas inclusiones de grafito y/o fibras de carbono pueden sustituir parcialmente al carburo de silicio, en una cantidad de 5 a 80% del volumen no ocupado por los siliciuros de metales de punto de fusión alto Mo, W, Re, Ta, Nb, Ti, Zr y Hf. 2. Material composite según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además por lo menos una o más capas interiores de grafito y/o de tela de carbono pirocompactada y/o de otro material denso de carbono y/o de carburo de silicio. 3. Material composite según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende unos poros que ocupan del 15 al 78% del volumen del material. 4. Material composite según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende por lo menos uno de los elementos siguientes que fijan activamente oxígeno: boro, germanio, aluminio, magnesio, bario, estroncio, calcio, sodio, potasio, itrio, escandio o elementos de tierras raras (lantanoides), siendo su contenido total del 0,1 al 2% en peso. 5. Calefactor eléctrico de alta temperatura, caracterizado porque se realiza a partir del material composite según la reivindicación 1, en el que unas partes diferentes del calefactor comprenden unas variantes diferentes de las composiciones o estructuras de dicho material, en el que (i) el calefactor eléctrico entero; (ii) una parte activa del mismo, o (iii) una parte activa y una parte de los cables de acometida de corriente del mismo sometidos a unas temperaturas altas durante el funcionamiento; se realiza a partir de dicho material. 6. Pieza estructural para la funcionar a una temperatura alta, caracterizada porque se realiza a partir del material composite según la reivindicación 1, en la que diferentes partes de la pieza comprenden diferentes variantes de las composiciones o estructuras de dicho material utilizado, pudiéndose realizar la pieza a partir de dicho material (i) totalmente o (ii) únicamente en una parte de la misma sometida a unas temperaturas altas durante el funcionamiento. 9