Preview

Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalʹnye pokrytiya

Расширенный поиск

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ СВС-КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ БОРИДА И СИЛИЦИДА ЦИРКОНИЯ

https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-1-29-41

Полный текст:

Аннотация

Работа посвящена исследованию кинетики и механизма горения реакционных смесей в системах Zr–Si–B и Zr–B, получению по технологии силового СВС-компактирования компактных керамических материалов, а также изучению их жаростойкости. Показано, что для составов в системе Zr–Si–B зависимости температуры и скорости горения от начальной температуры (T0) имеют линейный характер, т.е. с ростом T0 стадийность химических реакций образования диборида и дисилицида циркония не меняется. Рассчитаны значения эффективной энергии активации СВС-процесса, свидетельствующие о ведущей роли реакционного взаимодействия циркония с бором и кремнием в расплаве. Изучена стадийность химических превращений в волне горения смеси Zr–Si–B: первоначально путем кристаллизации из расплава образуется фаза ZrB2, затем с запаздыванием в 0,5 с появляется фаза ZrSi2; спустя 1 с кристаллизуется непрореагировавший Si. Изучен фазовый состав продуктов синтеза, в которых основным компонентом является диборид ZrB2, а также, в зависимости от состава исходной реакционной шихты, содержатся дисилицид циркония ZrSi2, Si и борид ZrB12. По технологии силового СВС-компактирования получены компактные образцы, характеризующиеся высокой твердостью и низкой остаточной пористостью. В результате высокотемпературного окисления СВС-образцов в зависимости от состава на их поверхности формируются оксидные пленки SiO2–ZrO2–B2O3, а также сложный оксид ZrSiO4, служащие эффективным диффузионным барьером и снижающие скорость окисления.

 

 

Об авторах

И. В. Яцюк
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС», г. Москва Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), г. Черноголовка
Россия

аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП) НИТУ «МИСиС», инженер научно-учебного центра (НУЦ) СВС МИСиС–ИСМАН 



Ю. С. Погожев
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС», г. Москва Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), г. Черноголовка
Россия

канд. техн. наук, доцент кафедры ПМиФП, ст. науч. сотр. НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН



Е. А. Левашов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС», г. Москва Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), г. Черноголовка
Россия

докт. техн. наук, проф., акад. РАЕН, зав. кафедрой ПМиФП, директор НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН



А. В. Новиков
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС», г. Москва Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), г. Черноголовка
Россия

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН



Н. А. Кочетов
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), г. Черноголовка
Россия

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




Д. Ю. Ковалев
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), г. Черноголовка
Россия

канд. техн. наук, зав. лабораторией рентгеноструктурных исследований ИСМАН 




Список литературы

1. Sha J.J., Li J., Wang S.H., Wang Y.C., Zhang Z.F., Dai J.X. Toughening effect of short carbon fibers in the ZrB2—ZrSi2 ceramic composites. Mater. Design. 2015. Vol. 75. P. 160—165.

2. Paul A., Jayaseelan D.D., Venugopal S., Zapata-Solvas E., Binner J., Vaidhyanathan B., Heaton A., Brown P., Lee W.E. UHTS composites for hypersonic applications. Am. Ceram. Soc. Bull. 2012. Vol. 91. P. 22—29.

3. Czelusniak T., Amorim F.L., Higa C.F., Lohrengel A. Development and application of new composite materials as EDM electrodes manufactured via selective laser sintering. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2014. Vol. 72. P. 1503—1512.

4. Chamberlain A.L., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Eller-by D.T. Highstrength zirconium diboride-based ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2004. Vol. 87. P. 1170—1172.

5. Sciti D., Guicciardi S., Silvestroni L. SiC chopped fibers reinforced ZrB2: effect of the sintering aid. Scr. Mater. 2011. Vol. 64. P. 769—772.

6. Sciti D., Silvestroni L., Saccone G., Alfano D. Effect of different sintering aids on thermo-mechanical properties and oxidation of SiC fibers-reinforce ZrB2 composites. Mater. Chem. Phys. 2013. Vol. 137. P. 834—842.

7. Guo S.Q., Kagawa Y., Nishimura T. Mechanical behavior of two-step hotpressed ZrB2-based composites with ZrSi2. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 787—794.

8. Wang H.L., Wang C.A., Yao X.F., Fang D.N. Processing and mechanical properties of zirconium diboride-based ceramics prepared by spark plasma sintering. J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. P. 1992—1997.

9. Pastor H. Metallic borides: preparation of solid bodies — sintering methods and properties of solid bodies. In: Boron and refractory borides. Ed. V.I. Matkovich. N.Y.: Springer-Verlag, 1977. P. 454—493.

10. Silvestroni L., Sciti D. Densification of ZrB2—TaSi2 and HfB2—TaSi2 ultrahigh-temperature ceramic composites. J. Am. Ceram. Soc. 2011. Vol. 94. P. 1920—1930.

11. Sciti D., Guicciardi S., Silvestroni L. Are short Hi-Nicalon SiC fibers a secondary or a toughening phase for ultra-high temperature ceramics. Mater Design. 2014. Vol. 55. P. 821—829.

12. Yang F.Y., Zhang X.H., Han J.C., Du S.Y. Processing and mechanical properties of short carbon fibers toughened zirconium diboride-based ceramics. Mater. Design. 2008. Vol. 29. P. 1817—1820.

13. Lin J., Zhang X.H., Wang Z., Han W.B., Jin H. Microstructure and mechanical properties of hot-pressed ZrB2—SiC—ZrO2 ceramics with different sintering temperatures. Mater. Design. 2012. Vol. 34. P. 853—856.

14. Sha J.J., Wei Z.Q., Li J., Zhang Z.F., Yang X.L., Zhang Y.C., Dai J.X. Mechanical properties and toughening mechanism of WC-doped ZrB2—ZrSi2 ceramic composites by hot pressing. Mater. Design. 2014. Vol. 62. P. 199—204.

15. Sciti D., Guicciardi S., Bellosi A. Properties of a pressureless-sintered ZrB2—MoSi2 ceramic composite. J. Am. Ceram. Soc. 2006. Vol. 7. P. 2320—2322.

16. Guo S.Q., Kagawa Y., Nishimura T., Tanaka H. Pressureless sintering and physical properties of ZrB2-based composites with ZrSi2 additive. Scr. Mater. 2008. Vol. 58. P. 579—582.

17. Yu-Lei Zhang, He-Jun Li, Zhi-Xiong Hu, Jin-Cui Ren, Ke-Zhi Li. Microstructure and oxidation resistance of Si— Mo—B coating for C/SiC coated carbon/carbon composites. Corros. Sci. 2013. Vol. 72. P. 150—155.

18. Feng T., Li H.J., Shi X.H., Yang X., Li Y.X., Yao X.Y. Sealing role of B2O3 in MoSi2—CrSi2—Si/B-modified coating for C/C composites. Corros. Sci. 2012. Vol. 60. P. 4—9.

19. Grigoriev O., Galanov B., Lavrenko V., Panasyuk A., Ivanov S., Koroteev A., Nickel K. Oxidation of ZrB2—SiC—ZrSi2 ceramics in oxygen. J. Eur. Ceram. Soc. 2010. Vol. 30. P. 2397—2405.

20. Silvestroni L., Landi E., Bejtka K., Chiodoni A., Sciti D. Oxidation behavior and kinetics of ZrB2 containing SiC chopped fibers. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 4377—4387.

21. Silvestroni L., Meriggi G., Sciti D. Oxidation behavior of ZrB2 composites doped with various transition metal silicides. Corros. Sci. 2014. Vol. 83. P. 281—291.

22. Makarov A.V., Bagarat’yan N.V., Zbezhneva S.G., Aleshko-Ozhevskaya L.A., Georgobiani T.P. Ionizatsiya i frag-mentatsiya molekul B2O2 i BO pri elektronnom udare [The ionization and fragmentation of the molecules B2O2 and BO at electronic blow]. Vestnik MGU. Ser. Khimiya. 2000. Vol. 41. No. 4. P. 227—230.

23. Eremina E.N., Kurbatkina V.V., Levashov E.A., Rogachev A.S., Kochetov N.A. Obtaining the composite MoB material by means of force SHS compacting with preliminary mechanical activation of Mo—10%B mixture. Chem. Sustain. Develop. 2005. Vol. 13. P. 197—204.

24. Khanraa A.K., Pathak L.C., Godkhindi M.M. Double SHS of ZrB2 powder. J. Mater. Proc. Technol. 2008. Vol. 202. P. 386—390.

25. Levashov E.A., Rogachev A.S., Kurbatkina V.V., Maksimov M., Yukhvid V.I. Perspektivnye materialy i tekhnologii samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza [Promissory materials and processes of self-propagating high-temperature synthesis]. Moscow: MISIS, 2011.

26. Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu., Shvyndina N.V., Sviridova T.A. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced ceramics in the Mo—Si—B system: Kinetics and mechanism of combustion and structure formation. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. P. 6541—6552.

27. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for materials synthesis. N.Y.: Taylor and Francis, 2015.

28. Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Levashov E.A., Kovalev D.Yu. The features of combustion and structure formation of ceramic materials in the Cr—Al—Si—B system. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. P. 16299—16308.

29. Bertolino N., Anselmi-Tamburini U., Maglia F., Spinolo G., Munir Z.A. Combustion synthesis of Zr—Si intermetallic compounds. J. Alloys Compd. 1999. Vol. 288. P. 238—248.

30. Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Rogachev A.S., Kochetov N.A., Patsera E.I., Sachkova N.V. Characteristic properties of combustion and structure formation in the Ti—Ta— C system. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2008. Vol. 49. P. 404—413.

31. Patsera E.I., Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Kovalev D.Yu. Production of ultra-high temperature carbide (Ta,Zr)C by self-propagating high-temperature synthesis of mechanically activated mixtures. Ceram. Int. 2015. Vol. 41. P. 8885—8893.

32. Yu Y., Luo R., Xiang Q., Zhang Y., Wanga T. Antioxidation properties of a BN/SiC/Si3N4—ZrO2—SiO2 multilayer coating for carbon/carbon composites. Surf. Coat. Technol. 2015. Vol. 277. P. 7—14.

33. Liu J., Cao L.-Y., Huang J.-F., Xin Y., Yang W.-D., Fei J., Yao C.-Y. A ZrSiO4/SiC oxidation protective coating for carbon/carbon composites. Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 206. P. 3270—3274.


Для цитирования:


Яцюк И.В., Погожев Ю.С., Левашов Е.А., Новиков А.В., Кочетов Н.А., Ковалев Д.Ю. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ СВС-КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ БОРИДА И СИЛИЦИДА ЦИРКОНИЯ. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalʹnye pokrytiya. 2017;(1):29-41. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-1-29-41

For citation:


Iatsyuk I.V., Pogozhev Y.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Y. FEATURES OF PRODUCTION AND HIGH-TEMPERATURE OXIDATION OF SHS-CERAMICS BASED ON ZIRCONIUM BORIDE AND ZIRCONIUM SILICIDE. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Universitiesʹ Proceedings. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2017;(1):29-41. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-1-29-41

Просмотров: 251


ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)