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-2022-4-58-66powder-745Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Особенности СВС многокомпонентных карбидовFeatures of SHS of multicomponent carbidesКочетовН. А.KochetovN. A.

 канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаборатории динамики микрогетерогенных процессов

142432, Московская обл, Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Phys.-Math.), senior researcher of the Laboratory of dynamics of microheterogeneous processes

142432,  Moscow region, Noginsk district, Chernogolovka, Academician Osip’yan str., 8

kolyan_kochetov@mail.ruКовалевИ. Д.KovalevI. D.

 канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. лаборатории рентгеноструктурных исследований

142432, Московская обл, Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

 Cand. Sci. (Phys.-Math.), researcher of the Laboratory of X-ray investigation 

142432,  Moscow region, Noginsk district, Chernogolovka, Academician Osip’yan str., 8

i2212@yandex.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)РоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of Sciences (ISMAN)Russian Federation202210122022045866Copyright © НИТУ "МИСИС", 20222022НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/745

Изучено горение порошков переходных металлов: титана марки ПТС (средний размер частиц 57 мкм), циркония ПЦРК-1 (12 мкм), тантала Та ПМ-3 (8 мкм), гафния ГФМ-1 (4 мкм), ниобия НБП-1а (21 мкм) – с сажей марки П-803 дисперсностью 1–2 мкм. Процесс горения спрессованных образцов (масса 2,5–6,9 г, высота 1,2–1,7 см, относительная плотность 0,55–0,61) осуществляли в инертной среде аргона при давлении 760 мм рт. ст. в камере постоянного давления. Исследовали комбинации Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + 4С и Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + Me5 + 5С. Рентгенограммы смесей регистрировали на дифрактометре «Дрон-3М» (CuKα-излучение). Шлифы продуктов горения изучали на сканирующем электронном микроскопе LEO 1450 VP (Carl Zeis, Германия). Фракционный состав и распределение частиц смеси по размеру устанавливали по стандартной методике на лазерном анализаторе размера частиц «Микросайзер-201C» (РФ). Определяли скорость горения, удлинение образцов, фазовый состав продуктов. Впервые экспериментально измерена максимальная температура горения смеси (Ti + Hf + Zr + Nb + Ta) + 5C. Также наблюдали за морфологией и микроструктурой продуктов реакции. Продукты горения смесей (Ti + Zr + Nb + Ta) + 4C и (Ti + Zr + Nb + Hf) + 4C содержат высокоэнтропийные карбиды, представляющие собой твердые растворы с одинаковым структурным типом B1 (пространственная группа Fm-3m) и обладающие различными параметрами ячейки. Образцы продуктов смесей (Ti + Zr + Hf + Ta) + 4C и (Ti + Hf + Zr + Nb + Ta) + 5C содержат в составе высокоэнтропийные и среднеэнтропийные карбиды, также представляющие собой твердые растворы с одинаковым структурным типом B1 (пространственная группа Fm-3m). Результаты данной работы могут найти применение при получении высокоэнтропийных и среднеэнтропийных многокомпонентных карбидов.

Combustion of powders of transition metals of titanium PTS (average particle size 57 μm), zirconium PCRK-1 (12 μm), tantalum Ta PM-3 (8 μm), hafnium GFM-1 (4 μm), niobium NBP-1a (21 μm) with carbon black grade P-803 dispersion 1–2 μm was studied. The combustion process of the compressed samples (mass 2.5–6.9 g, height 1.2–1.7 cm, relative density 0.55–0.61) was performed in an inert argon medium at a pressure of 760 mmHg in the constant pressure chamber.  Combinations were studied, Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + 4C, Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + Me5 + 5C. XRD patterns of the mixtures were recorded on a DRON-3М diffractometer (CuKα-radiation). Combustion product sections were studied using a LEO 1450 VP scanning electron microscope (Carl Zeiss, Germany). The fractional composition and particle size distribution of the mixture were determined according to standard procedure using a Microsizer-201C laser particle size analyzer. Combustion velocity, elongation of samples, phase composition of products were determined. The maximum combustion temperature of the mixture (Ti + Hf + Zr + Nb + Ta) + 5C was measured experimentally for the first time. The morphology and microstructure of the reaction products were also observed. Combustion products of mixtures (Ti + Zr + Nb + Ta) + 4C and (Ti + Zr + Nb + Hf) + 4C contain high entropy carbides, which are solid solutions with the same structural type B1 (space group Fm-3m) and having different cell parameters. Product samples of mixtures (Ti + Zr ++ Hf + Ta) + 4C and (Ti + Hf + Zr + Nb + Ta) + 5C contain high entropy and medium entropy carbides, also representing solid solutions with the same structural type B1 (space group Fm-3m). The results of this work can be used in the production of high-entropy and medium-entropy multicomponent carbides.

СВСгорениевысокоэнтропийные многокомпонентные карбидысреднеэнтропийные карбидывысокоэнтропийная керамикапереходные металлытугоплавкие металлыSHScombustionhigh-entropy multicomponent carbidesmedium entropy carbideshigh-entropy ceramicstransition metalsrefractory metalsReferencesМержанов А.Г., Боровинская И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений. ДАН СССР. 1972. Т. 204. No 2. C. 366—369.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Self-spreading hightemperature synthesis of refractory compounds. Dokl. Chem. 1972. Vol. 204. No. 2. P. 429—431.Агаджанян Н.Н., Долуханян С.К. Влияние реакционной среды на процесс горения системы Zr—Nb—C Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32. No. 2. C. 31—37.Agadzhanyan N.N., Dolukhanyan S.K. Effects of reaction medium on combustion of the Zr—Nb—C system. Combust. Explos. Shock Waves. 1996. Vol. 32. No. 2. P. 145—150. https://doi.org/10.1007/BF02097083.Епишин К.Л., Питюлин А.Н. Влияние некоторых параметров на горение системы Zr + C. Физика горения и взрыва. 1991. Т. 27. No. 4. C. 27—30.Epishin K.L., Pityulin A.N. Effect of certain parameters on combustion of zirconium and carbon. Combust. Explos. Shock Waves. 1991. Vol. 27. No. 4. P. 415—418. https://doi.org/10.1007/BF00789549.Шкиро В.М., Нерсисян Г.А., Боровинская И.П. Исследование закономерностей горения смесей тантала с углеродом. Физика горения и взрыва. 1978. Т. 14. No. 4. C. 58—64.Shkiro V.M., Nersisyan G.A., Borovinskaya I.P. Principles of combustion of tantalum-carbon mixtures. Combust. Explos. Shock Waves. 1978. Vol. 14. No. 4. P. 455—460. https://doi.org/10.1007/BF00742950.Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Некрасов Е.А. О механизме взаимодействия титана с углеродом в волне горения. Физика горения и взрыва. 1981. Т. 17. No. 4.C. 33—36.Kirdyashkin A.I., Maksimov Y.M., Nekrasov E.A. Titaniumcarbon interaction mechanism in a combustion wave. Combust. Explos. Shock Waves. 1981. Vol. 17. No. 4. P. 377—379. https://doi.org/10.1007/BF00761204.Рогачев А.С. О микрогетерогенном механизме безгазового горения. Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39. No. 2. C. 38—47Rogachev A.S. Microheterogeneous mechanism of gasless combustion. Combust. Explos. Shock Waves. 2003. Vol. 39. No. 2. P. 150—158. https://doi.org/10.1023/A:1022956915794.Сеплярский Б.С., Абзалов Н.И., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. Влияние содержания поливинилбутираля на режим горения гранулированной смеси (Ti + C) + + xNi. Хим. физика. 2021. Т. 40. No. 3. C. 23—30. DOI: 10.31857/S0207401X21030109.Seplyarskii B.S., Abzalov N.I., Kochetkov R.A., Lisina T.G. Effect of the polyvinyl butyral content on the combustion mode of the (Ti + C) + xNi granular mixture. Russ. J. Phys. Chem. B. 2021. Vol. 15. No. 2. P. 242—249. DOI: 10.1134/S199079312102010X.Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A., Lisina T.G., Abzalov N.I. Combustion of Ti—C powders and granules: Impact of carbon allotropy and Ti particle size. Int. J. SHS. 2022. Vol. 31. No. 1. P. 54—56. DOI: 10.3103/S1061386222010071.Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A., Lisina T.G., Abzalov N.I. Combustion of Ti—C powders and granules: Impact of carbon allotropy and Ti particle size. Int. J. SHS. 2022. Vol. 31. No. 1. P. 54—56. DOI: 10.3103/S1061386222010071.Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 375—377. P. 213— 218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257.Cantor B., Chang I.T.H., Knight P., Vincent A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 375—377. P. 213— 218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257.Rogachev A.S., Fourmont А., Kovalev D.Yu., Vadchenko S.G., Kochetov N.A, Shkodich N.F., Baras F., Politano O. Mechanical alloying in the Co—Fe—Ni powder mixture: Experimental study and molecular dynamics simulation. Powder Technol. 2022. Vol. 399. Р. 117187. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117187.Rogachev A.S., Fourmont А., Kovalev D.Yu., Vadchenko S.G., Kochetov N.A, Shkodich N.F., Baras F., Politano O. Mechanical alloying in the Co—Fe—Ni powder mixture: Experimental study and molecular dynamics simulation. Powder Technol. 2022. Vol. 399. Р. 117187. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117187.Zhang Z., Sheng H., Wang Z., Gludovatz B., Zhang Z., George E.P., Yu Q., Mao S.X., Ritchie R.O. Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy. Nat. Commun. 2017. Vol. 8. Art. 14390. P. 1—8. https://doi.org/10.1038/ncomms14390.Zhang Z., Sheng H., Wang Z., Gludovatz B., Zhang Z., George E.P., Yu Q., Mao S.X., Ritchie R.O. Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy. Nat. Commun. 2017. Vol. 8. Art. 14390. P. 1—8. https://doi.org/10.1038/ncomms14390.Laplanche G., Kostka A., Reinhart C., Hunfeld J., Eggeler G., George E.P. Reasons for the superior mechanical properties of medium-entropy CrCoNi compared to highentropy CrMnFeCoNi. Acta Mater. 2017. Vol. 128. P. 292—303. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.02.036.Laplanche G., Kostka A., Reinhart C., Hunfeld J., Eggeler G., George E.P. Reasons for the superior mechanical properties of medium-entropy CrCoNi compared to highentropy CrMnFeCoNi. Acta Mater. 2017. Vol. 128. P. 292—303. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.02.036.Liu D., Wen T., Ye B., Chu Y. Synthesis of superfine high-entropy metal diboride powders. Scr. Mater. 2019. Vol. 167. P. 110—114. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.03.038.Liu D., Wen T., Ye B., Chu Y. Synthesis of superfine high-entropy metal diboride powders. Scr. Mater. 2019. Vol. 167. P. 110—114. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.03.038.Kochetov N.A., Rogachev A.S., Kovalev I.D., Vadchenko S.G. Combustion of transition metal—boron mixtures in argon gas. Int. J. SHS. 2021. Vol. 30. No. 4. P. 223—228. DOI:10.3103/S106138622104004X.Kochetov N.A., Rogachev A.S., Kovalev I.D., Vadchenko S.G. Combustion of transition metal—boron mixtures in argon gas. Int. J. SHS. 2021. Vol. 30. No. 4. P. 223—228. DOI:10.3103/S106138622104004X.Braic V., Vladescu A., Balaceanu M., Luculescu C.R., Braic M. Nanostructured multi-element (TiZrNbHfTa)N and (TiZrNbHfTa)C hard coatings. Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 211. P. 117—121. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.09.033.Braic V., Vladescu A., Balaceanu M., Luculescu C.R., Braic M. Nanostructured multi-element (TiZrNbHfTa)N and (TiZrNbHfTa)C hard coatings. Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 211. P. 117—121. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.09.033.Yan X., Constantin L., Lu Y.F., Silvain J.-F., Nastas M.,Cui B. (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C high-entropy ceramics with low thermal conductivity. J. Am. Ceram. Soc. 2018. Vol. 101. No. 10. P. 4486—4491. DOI: 10.1111/jace.15779.Yan X., Constantin L., Lu Y.F., Silvain J.-F., Nastas M.,Cui B. (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C high-entropy ceramics with low thermal conductivity. J. Am. Ceram. Soc. 2018. Vol. 101. No. 10. P. 4486—4491. DOI: 10.1111/jace.15779.Zhang Q., Zhang J., Li N., Chen W. Understanding the electronic structure, mechanical properties, and thermodynamic stability of (TiZrHfNbTa)C combined experiments and first-principles simulation. J. Appl. Phys. 2019. Vol. 126. No. 2. Art. 025101. P. 1—7. https://doi.org/10.1063/1.5094580.Zhang Q., Zhang J., Li N., Chen W. Understanding the electronic structure, mechanical properties, and thermodynamic stability of (TiZrHfNbTa)C combined experiments and first-principles simulation. J. Appl. Phys. 2019. Vol. 126. No. 2. Art. 025101. P. 1—7. https://doi.org/10.1063/1.5094580.Csanádi T., Castle E., Reece M., Dusza J. Strength enhancement and slip behaviour of high-entropy carbide grains during micro-compression. Sci. Rep. 2019. Vol. 9. P. 10200. DOI: 10.1038/s41598-019-46614-w.Csanádi T., Castle E., Reece M., Dusza J. Strength enhancement and slip behaviour of high-entropy carbide grains during micro-compression. Sci. Rep. 2019. Vol. 9. P. 10200. DOI: 10.1038/s41598-019-46614-w.Castle E., Csanádi T., Grasso S., Dusza J., Reece M. Processing and properties of high-entropy ultra-high temperature carbides. Sci. Rep. 2018. Vol. 8. P. 8609. DOI:10.1038/s41598-018-26827-1.Castle E., Csanádi T., Grasso S., Dusza J., Reece M. Processing and properties of high-entropy ultra-high temperature carbides. Sci. Rep. 2018. Vol. 8. P. 8609. DOI:10.1038/s41598-018-26827-1.Moskovskikh D.O., Vorotilo S., Sedegov A.S., Kuskov K.V., Bardasova K.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Zhukovskyi M., Mukasyan A.S. High-entropy (HfTaTiNbZr)C and (HfTaTiNbMo)C carbides fabricated through reactive high-energy ball milling and spark plasma sintering. Ceram. Int. 2020. Vol. 46. P. 19008—19014. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.230.Moskovskikh D.O., Vorotilo S., Sedegov A.S., Kuskov K.V., Bardasova K.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Zhukovskyi M., Mukasyan A.S. High-entropy (HfTaTiNbZr)C and (HfTaTiNbMo)C carbides fabricated through reactive high-energy ball milling and spark plasma sintering. Ceram. Int. 2020. Vol. 46. P. 19008—19014. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.230.Kovalev D.Yu., Kochetov N.A., Chuev I.I. Fabrication of high-entropy carbide (TiZrHfTaNb)С by high-energy ball milling. Ceram. Int. 2021. Vol. 47. P. 32626—32633.https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.08.158.Kovalev D.Yu., Kochetov N.A., Chuev I.I. Fabrication of high-entropy carbide (TiZrHfTaNb)С by high-energy ball milling. Ceram. Int. 2021. Vol. 47. P. 32626—32633.https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.08.158.Kochetov N.A., Sytschev A.E. Effects of magnesium on initial temperature and mechanical activation on combustion synthesis in Ti—Al—Mg system. Mater. Chem.Phys. 2021. Vol. 257. P. 123727. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123727.Kochetov N.A., Sytschev A.E. Effects of magnesium on initial temperature and mechanical activation on combustion synthesis in Ti—Al—Mg system. Mater. Chem.Phys. 2021. Vol. 257. P. 123727. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123727.Kamynina O.K., Rogachev A.S., Sytschev A.E., Umarov L.M. Spontaneous deformation during self-propagating high-temperature synthesis. Int. J. SHS. 2004. Vol. 13. No. 3. P. 193—204.Kamynina O.K., Rogachev A.S., Sytschev A.E., Umarov L.M. Spontaneous deformation during self-propagating high-temperature synthesis. Int. J. SHS. 2004. Vol. 13. No. 3. P. 193—204.Камынина О.К., Рогачев А.С., Умаров Л.М. Динамика деформации реагирующей среды при безгазовом горении. Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39. No. 5. C. 69—73.Kamynina O.K., Rogachev A.S., Umarov L.M. Deformation dynamics of a reactive medium during gasless combustion. Combust. Explos. Shock Waves. 2003. Vol. 39. No. 5. P. 548—551. https://doi.org/10.1023/A:1026161818701.Вершинников В.И., Филоненко А.К. О зависимости скорости безгазового режима горения от давления. Физика горения и взрыва. 1978. Т. 14. No. 5.C. 42—47.Vershinnikov V.I., Filonenko A.K. Pressure dependence of rate of gas-free combustion. Combust. Explos. Shock Waves. 1978. Vol. 14. No. 5. P. 588—592. https://doi.org/10.1007/BF00789716.Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра. Докл. РАН. 2004. T. 396. No. 5. C. 640—643.Seplyarskii B.S. The nature of anomalous dependence of burning velocity in «gasless» systems on sample diameter. Dokl. Phys. Chem. 2004. Vol. 396. No. 4—6.P. 130—133.

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