powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2025-3-5-14powder-1000Research ArticleПроцессы получения и свойства порошковProduction Processes and Properties of PowdersПолучение керамики из карбида бора с добавками на основе хрома (Cr3C2, CrB2)Obtaining ceramics from boron carbide with chromium-based additives (Cr3C2, CrB2)https://orcid.org/0000-0002-6196-639XВасильеваЮ. З.VassilyevaYu. Z.

Юлия Захаровна Васильева – к.т.н., науч. сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли (ЛПМЭО)

Россия, 634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30

Yuliya Z. Vassilyeva – Cand. Sci. (Eng.), Research Scientist, Laboratory of Advanced Materials for Energy Industry (LAMEI)

30 Lenin Prosp., Tomsk 634050, Russia

yzv1@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6982-7258ПоваляевП. В.PovalyaevP. V.

Павел Вадимович Поваляев – мл. науч. сотрудник ЛПМЭО

Россия, 634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30

Pavel V. Povalyaev – Junior Research Scientist, LAMEI

30 Lenin Prosp., Tomsk 634050, Russia

pvp13@tpu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-6891-6130КузнецоваА. А.KuznetsovaA. A.

Анастасия Андреевна Кузнецова – студентка, Научно-образовательный центр Б.П. Вейнберга

Россия, 634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30

Anastasiya A. Kuznetsova – Student, Weinberg Research Center

30 Lenin Prosp., Tomsk 634050, Russia

aak264@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8447-1309ПакА. Я.PakA. Ya.

Александр Яковлевич Пак – д.т.н., заведующий ЛПМЭО

Россия, 634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30

Aleksandr Ya. Pak – Dr. Sci. (Eng.), Head of the LAMEI

30 Lenin Prosp., Tomsk 634050, Russia

ayapak@tpu.ruНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation202525062025193514Copyright © НИТУ "МИСИС", 20252025НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/1000

Представлены результаты исследования процесса искрового плазменного спекания порошков системы «бор–углерод–хром», а именно карбидов бора и хрома, а также диборида хрома. Синтез порошков (B4C, CrB2 и Cr3C2) для спекания осуществлялся с использованием оригинального безвакуумного электродугового реактора постоянного тока при длительности обработки исходной смеси порошков воздействием дугового разряда 60 с и силе тока, установленной на источнике постоянного тока, 200 А. Спекание объемных образцов на основе карбида бора (B4C) и диборида хрома (CrB2) проводилось при одинаковых параметрах – температуре t = 1800 °С и давлении Р = 60 МПа, а спекание керамического образца на основе карбида хрома (Cr3C2) – при t = 1300 °С и Р = 30 МПа. Также в процессе спекания объемных образцов на основе карбида бора в ряде случаев применялись спекающие добавки – 25 мас. % Cr3C2 и 20 мас. % CrB2 . Посредст­вом рентгеновской дифрактометрии был изучен фазовый состав спеченных образцов. Микроструктуру и элементный состав полученных образцов определяли с помощью растровой электронной микроскопии. Твердость спеченной керамики оценивали с использованием твердомера с наконечником Виккерса при малой нагрузке в 1 кг – установлено, что твердость образца B4C составляет 22,7 ± 1,8 ГПа, CrB2 – 12,6 ± 0,3 ГПа, Cr3С2 – 11,4 ± 0,1 ГПа. Введение спекающей добавки в виде 25 мас. % Cr3С2 при получении керамики на основе B4C привело к снижению твердости до 17,7 ± 5,6 ГПа, однако наблюдалось повышение трещиностойкости полученного образца с 2,5 ± 0,2 до 3,3 ± 0,3 МПа·м1/2. Добавка 20 мас. % CrB2 при спекании B4C позволила увеличить твердость объемного образца с 22,7 ± 1,8 до 26,8 ± 1,3 ГПа.

This study presents the results of spark plasma sintering of powders within the boron–carbon–chromium system, focusing on boron carbide (B4C), chromium carbide (Cr3C2 ), and chromium diboride (CrB2 ). The powders were synthesized using the original vacuum-free direct current arc reactor, where the starting powder mixture was exposed to an arc discharge for 60 s under a direct current of 200 A. Bulk samples based on B4C and CrB2 were sintered under identical conditions, with a temperature of 1800 °C and a pressure of 60 MPa, while the sintering of Cr3C2-based ceramics was conducted at 1300 °C and 30 MPa. In some cases, sintering additives – 25 wt. % Cr3C2 and 20 wt. % CrB2 – were introduced during the sintering of B4C-based bulk samples. The phase composition of the sintered samples was analyzed using X-ray diffraction (XRD), while the microstructure and elemental composition were examined via scanning electron microscopy (SEM). The hardness of the sintered ceramics was measured using a Vickers indenter under a load of 1 kg, revealing hardness values of 22.7 ± 1.8 GPa for B4C, 12.6 ± 0.3 GPa for CrB2 , and 11.4 ± 0.1 GPa for Cr3C2 . The introduction of 25 wt. % Cr3C2 as a sintering additive in B4C-based ceramics reduced the hardness to 17.7 ± 5.6 GPa; however, it significantly improved the fracture toughness, increasing it from 2.5 ± 0.2 to 3.3 ± 0.3 MPa·m1/2. Conversely, the addition of 20 wt. % CrB2 during B4C sintering led to an increase in the bulk sample’s hardness from 22.7 ± 1.8 GPa to 26.8 ± 1.3 GPa.

композиционная керамикаB4CCrB2Cr3С2безвакуумный электродуговой методискровое плазменное спеканиетвердостьcomposite ceramicsB4CCrB2Cr3С2vacuum-free arc discharge methodspark plasma synthesishardnessРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSWW-2023-0011).This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project No. FSWW-2023-0011).ReferencesDomnich V., Reynaud S., Haber R.A., Chhowalla M. Boron carbide: Structure, properties, and stability under stress. Journal of the American Ceramic Society. 2011; 94(11):3605–3628. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04865.xDomnich V., Reynaud S., Haber R.A., Chhowalla M. Boron carbide: Structure, properties, and stability under stress. Journal of the American Ceramic Society. 2011; 94(11):3605–3628. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04865.xRoy T.K., Subramanian C., Suri A.K. Pressureless sintering of boron carbide. Ceramics International. 2006; 32(3):227–233. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2005.02.008Roy T.K., Subramanian C., Suri A.K. Pressureless sintering of boron carbide. Ceramics International. 2006; 32(3):227–233. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2005.02.008Datye A., Koneti S., Gomes G., Wu K., Lin H. Synthesis and characterization of aluminum oxide–boron carbide coatings by air plasma spraying. Ceramics International. 2010;36(5):1517–1522. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.02.024Datye A., Koneti S., Gomes G., Wu K., Lin H. Synthesis and characterization of aluminum oxide–boron carbide coatings by air plasma spraying. Ceramics International. 2010;36(5):1517–1522. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.02.024La Salvia J.C., Leavy R.B., Houskamp J.R., Miller H.T., MacKenzie D.E., Campbell J. Ballistic impact damage observations in a hot-pressed boron carbide. In: Advances in ceramic armor V. 2009;45–55. https://doi.org/10.1002/9780470584330.ch5La Salvia J.C., Leavy R.B., Houskamp J.R., Miller H.T., MacKenzie D.E., Campbell J. Ballistic impact damage observations in a hot-pressed boron carbide. In: Advances in ceramic armor V. 2009;45–55. https://doi.org/10.1002/9780470584330.ch5Yamada S., Hirao K., Yamauchi Y., Kanzaki S. B4C–CrB2 composites with improved mechanical properties. Journal of the European Ceramic Society. 2003;23(3):561–565. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00094-8Yamada S., Hirao K., Yamauchi Y., Kanzaki S. B4C–CrB2 composites with improved mechanical properties. Journal of the European Ceramic Society. 2003;23(3):561–565. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00094-8Li X., Jiang D., Zhang J., Lin Q., Chen Z., Huang Z. Pressureless sintering of boron carbide with Cr3C2 as sintering additive. Journal of the European Ceramic Society. 2014;34(5):1073–1081. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.036Li X., Jiang D., Zhang J., Lin Q., Chen Z., Huang Z. Pressureless sintering of boron carbide with Cr3C2 as sintering additive. Journal of the European Ceramic Society. 2014;34(5):1073–1081. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.036Chalgin A.V., Vikhman S.V., Ordan’yan S.S., Danilo­vich D.P., Nechaeva M.V. Principles of technology and mechanical properties of structural ceramics based on the ternary system SiC–B4C–CrB2. MRS Online Proceedings Library (OPL). 2015;1765:11–16. https://doi.org/10.1557/opl.2015.800Chalgin A.V., Vikhman S.V., Ordan’yan S.S., Danilo­vich D.P., Nechaeva M.V. Principles of technology and mechanical properties of structural ceramics based on the ternary system SiC–B4C–CrB2. MRS Online Proceedings Library (OPL). 2015;1765:11–16. https://doi.org/10.1557/opl.2015.800Крутский Ю.Л., Непочатов Ю.К., Пель А.Н., Сковородин И.Н., Дюкова К.Д., Крутская Т.М., Кучумова И.Д., Матц О.Э., Тюрин А.Г., Эмурлаева Ю.Ю., Подрябинкин С.И. Синтез полидисперсного карбида бора и получение керамики на его основе. Журнал прикладной химии. 2019;92(6):719–727. https://doi.org/10.1134/S1070427219060041Krutskii Yu.L., Nepochatov Yu.K., Pel’ A.N., Skovorodin I.N., Dyukova K.D., Krutskaya T.M., Kuchumova I.D., Mats O.E., Tyurin A.G., Emurlaeva Yu.Yu., Pod­ryabinkin S.I. Synthesis of polydisperse boron carbide and synthesis of a ceramic on its basis. Russian Journal of App­lied Chemistry. 2019;92(6):750–758. https://doi.org/10.1134/S1070427219060041Gudyma T.S., Shestakov V.A., Dik D.V., Krutskii Yu.L., Anisimov A.G., Cherkasova N.Yu., Ukhina A.V. Syn­thesis of B4C/CrB2 powders by boron-carbide reduction using nanofiber carbon for the fabrication of ceramics. Nano­biotechnology Reports. 2023;18:S55–S62. https://doi.org/10.1134/S2635167623600517Gudyma T.S., Shestakov V.A., Dik D.V., Krutskii Yu.L., Anisimov A.G., Cherkasova N.Yu., Ukhina A.V. Syn­thesis of B4C/CrB2 powders by boron-carbide reduction using nanofiber carbon for the fabrication of ceramics. Nano­biotechnology Reports. 2023;18:S55–S62. https://doi.org/10.1134/S2635167623600517Gao Y., Etzold A., Munhollon T., Rafaniello W., Haber R. Processing factors influencing the free carbon contents in boron carbide powder by rapid carbothermal reduction. Diamond and Related Materials. 2016;61:14–20. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.11.005Gao Y., Etzold A., Munhollon T., Rafaniello W., Haber R. Processing factors influencing the free carbon contents in boron carbide powder by rapid carbothermal reduction. Diamond and Related Materials. 2016;61:14–20. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.11.005Kovalev I.D., Ponomarev V.I., Vershinnikov V.I., Kono­valikhin S.V. SHS-produced boron carbide: Some special features of crystal structure. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2012;21(2):134–138. https://doi.org/10.3103/S1061386212020033Kovalev I.D., Ponomarev V.I., Vershinnikov V.I., Kono­valikhin S.V. SHS-produced boron carbide: Some special features of crystal structure. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2012;21(2):134–138. https://doi.org/10.3103/S1061386212020033Alkan M., Sonmez M.S., Derin B., Yücel O. Effect of initial composition on boron carbide production by SHS process followed by acid leaching. Solid State Sciences. 2012;14(11-12):1688–1691. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2012.07.004Alkan M., Sonmez M.S., Derin B., Yücel O. Effect of initial composition on boron carbide production by SHS process followed by acid leaching. Solid State Sciences. 2012;14(11-12):1688–1691. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2012.07.004Ramos A.S., Taguchi S.P., Ramos E.C.T., Arantes V.L., Ribeiro S. High-energy ball milling of powder B–C mixtures. Materials Science and Engineering: A. 2006;422(1-2): 184–188. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.01.096Ramos A.S., Taguchi S.P., Ramos E.C.T., Arantes V.L., Ribeiro S. High-energy ball milling of powder B–C mixtures. Materials Science and Engineering: A. 2006;422(1-2): 184–188. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.01.096Podgornyi V.I., Belashev B.Z., Osaulenko R.N., Ternovoi A.N. Synthesis of carbides in the arc plasma. Technical Physics. 2013;(58):1007–1010. https://doi.org/10.1134/S1063784213070165Podgornyi V.I., Belashev B.Z., Osaulenko R.N., Ternovoi A.N. Synthesis of carbides in the arc plasma. Technical Physics. 2013;(58):1007–1010. https://doi.org/10.1134/S1063784213070165Мартынов Р.С., Пак А.Я., Волокитин О.Г., Никитин Д.С., Ларионов К.Б., Поваляев П.В., Гумовс­кая А.А., Болатова Ж., Васильева Ю.З. Синтез порошка карбида бора безвакуумным электродуговым методом и получение объемной керамики методом иск­рового плазменного спекания. Вестник ПНИПУ. Машиностроение. Материаловедение. 2023;25(3):65–76. https://doi.org/10.15593/2224-9877/2023.3.07Martynov R.S., Pak А.Ya., Volokitin О.G., Nikitin D.S., Larionov K.B., Povalyaev P.V., Gumovskaya A.A., Bolatova Zh., Vassilyeva Yu.Z. Advanced vacuumless arc plasma synthesis of boron carbide powders and bulk ceramics spark plasma sintering. Bulletin of PNRPU. Mechanical Engineering, Materials Science. 2023;25(3):65–76. (In Russ.). https://doi.org/10.15593/2224-9877/2023.3.07Васильева Ю.З., Поваляев П.В., Некля Ю.А., Пак А.Я. Модернизация безвакуумного электродугового реак­тора для синтеза порошка на основе карбида бора. Materials. Technologies. Design. 2023;5(5):7–15. https://doi.org/10.54708/26587572_2023_55157Vassilyeva Yu.Z., Povalyaev P.V., Neklya Yu.A., Pak А.Ya. Modernization of non-vacuum electric arc reactor for boron carbide powder synthesis. Materials. Technologies. Design. 2023;5(5):7–15. (In Russ.). https://doi.org/10.54708/26587572_2023_55157Povalyaev P.V., Pak A.Y., Frantsina E.V., Petrova Y.Y., Egorova V.V. Synthesis of chromium carbide powder by vacuum-free electric arc plasma method. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2024;123:106795. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106795Povalyaev P.V., Pak A.Y., Frantsina E.V., Petrova Y.Y., Egorova V.V. Synthesis of chromium carbide powder by vacuum-free electric arc plasma method. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2024;123:106795. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106795Поваляев П.В., Пак А.Я., Николаева К.В., Данилова-Третьяк С.М. Синтез диборида хрома в атмосферной плазме дугового разряда. Инженерно-физический журнал. 2024;97(5):1240. https://doi.org/10.1007/s10891-024-02996-xPovalyaev P.V., Pak A.Y., Nikolaeva K.V., Danilova-Tret’yak S.M. Synthesis of chromium diboride in an arc-discharge atmospheric plasma. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2024;97:1234–1245. https://doi.org/10.1007/s10891-024-02996-xАндриевский Р.А. Микро- и наноразмерный карбид бора: синтез, структура и свойства. Успехи химии. 2012;81(6):549–559. https://doi.org/10.1070/RC2012v081n06ABEH004287Andrievski R.A. Micro- and nanosized boron carbide: synthesis, structure and properties. Russian Chemical Reviews. 2012;81(6):549–559. (In Russ.). https://doi.org/10.1070/RC2012v081n06ABEH004287Rutkowski P., Stobierski L., Bućko M.M. The influence of chromium compounds on boron carbide sintering. Composites Theory and Practice. 2013;13(14):245–249.Rutkowski P., Stobierski L., Bućko M.M. The influence of chromium compounds on boron carbide sintering. Composites Theory and Practice. 2013;13(14):245–249.Хасанов О.Л., Двилис Э.С., Хасанов А.О., Бикбаева З.Г., Полисадова В.В., Соколов В.М., Качаев А.А., Валова Я.В. Определение оптимальных режимов изготовления высокоплотной керамики из порошка карбида бора методом спекания в плазме искрового разряда. Известия Томского политехнического университета. 2012;320(2):58–62.Khasanov O.L., Dvilis E.S., Khasanov A.O., Bikbaeva Z.G., Polisadova V.V., Sokolov V.M., Kachaev A.A., Valova Ya.V. Determination of optimal modes of manufacturing high-density ceramics from boron carbide powder by sintering in spark discharge plasma. Izvestiya Toms­kogo Politekhnicheskogo Universiteta. 2012;320(2): 58–62. (In Russ.).Badica P., Grasso S., Borodianska H., Xie S.S., Li P., Tatarko P., Reece M.J., Sakka Y., Vasylkiv O. Tough and dense boron carbide obtained by high-pressure (300 MPa) and low-temperature (1600 °C) spark plasma sintering. Journal of the Ceramic Society of Japan. 2014;122(1424): 271–275. https://doi.org/10.2109/jcersj2.122.271Badica P., Grasso S., Borodianska H., Xie S.S., Li P., Tatarko P., Reece M.J., Sakka Y., Vasylkiv O. Tough and dense boron carbide obtained by high-pressure (300 MPa) and low-temperature (1600 °C) spark plasma sintering. Journal of the Ceramic Society of Japan. 2014;122(1424): 271–275. https://doi.org/10.2109/jcersj2.122.271Mahesh B., Sairam K., Sonber J.K., Murthy T.S.R.C., Nages­wara Rao G.V.S., Srinivasa Rao T., Chakra­vartty J.K. Sinterability studies of monolithic chromium diboride (CrB2) by spark plasma sintering. Internatio­nal Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015;52:66–69. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.04.035Mahesh B., Sairam K., Sonber J.K., Murthy T.S.R.C., Nages­wara Rao G.V.S., Srinivasa Rao T., Chakra­vartty J.K. Sinterability studies of monolithic chromium diboride (CrB2) by spark plasma sintering. Internatio­nal Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015;52:66–69. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.04.035Hirota K., Mitani K., Yoshinaka M., Yamaguchi O. Simultaneous synthesis and consolidation of chromium carbides (Cr3C2 , Cr7C3 and Cr23C6 ) by pulsed electric-current pressure sintering. Materials Science and Engineering: A. 2005;399(1–2):154–160. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.02.062Hirota K., Mitani K., Yoshinaka M., Yamaguchi O. Simultaneous synthesis and consolidation of chromium carbides (Cr3C2 , Cr7C3 and Cr23C6 ) by pulsed electric-current pressure sintering. Materials Science and Engineering: A. 2005;399(1–2):154–160. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.02.062Yamada S., Hirao K., Yamauchi Y., Kanzaki S. Mechanical and electrical properties of B4C–CrB2 ceramics fabricated by liquid phase sintering. Ceramics International. 2003;29(3):299–304. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00120-7Yamada S., Hirao K., Yamauchi Y., Kanzaki S. Mechanical and electrical properties of B4C–CrB2 ceramics fabricated by liquid phase sintering. Ceramics International. 2003;29(3):299–304. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00120-7

The authors declare that there are no conflicts of interest present.