Магнийтермический синтез и консолидация многокомпонентной порошковой керамики в системе Zr–Si–Mo–B
Аннотация
Работа посвящена получению композиционной порошковой керамики на основе ZrB2–ZrSi2–MoSi2 методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) по схеме магнийтермического восстановления из оксидного сырья, а также ее последующей консолидации методом горячего прессования (ГП). Процесс горения реакционных смесей характеризуется довольно высокими адиабатическими температурами в диапазоне 2060–2120 К и скоростями горения в интервале 8,3–9,4 г/с. Выход целевого продукта при магнийтермическом восстановлении составляет 34–38 %. Полученный порошок содержит в своем составе 13–47 % ZrB2, 21–70 % ZrSi2, 2–32 % ZrSi и 10–18 % MoSi2 в зависимости от состава исходной реакционной смеси, характеризуется высокой структурной однородностью и состоит из композиционных частиц полиэдрической формы со средним размером порядка 8 мкм. Структура керамики, консолидированной методом ГП из СВС-порошка, гомогенная и включает игольчатые зерна ZrB2, распределенные в матрице из ZrSi2, включения MoSi2 различной морфологии и силиката ZrSiO4, распределенные по границам зерен ZrSi2. Полученные ГП-образцы характеризуются высокой степенью однородности химического состава и остаточной пористостью 2,5–7,4 %.
Об авторах
А. Н. Астапов
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ).
Россия
Россия
Канд. техн. наук, доцент кафедры перспективных материалов и технологий аэрокосмического назначения МАИ.
125993, г. Москва, Волоколамское ш., 4.
Ю. С. Погожев
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»; Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН).
Россия
Россия
Канд. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ «МИСиС», ст. науч. сотр. Научно-учебного центра (НУЦ) СВС МИСиС–ИСМАН.
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.
М. В. Лемешева
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»; Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН).
Россия
Россия
Аспирант, инженер.
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.
С. И. Рупасов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия
Россия
Ст. науч. сотр. кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ «МИСиС».
119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.
В. И. Вершинников
Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science Russian Academy of Sciences.
Россия
Россия
Канд. техн. наук, вед. науч. сотр. лаборатории № 14 самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ИСМАН.
142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8.
И. П. Лифанов
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ).
Россия
Россия
Аспирант кафедры перспективных материалов и технологий аэрокосмического назначения МАИ.
125993, г. Москва, Волоколамское ш., 4.
Л. Н. Рабинский
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ).
Россия
Россия
докт. физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой перспективных материалов и технологий аэрокосмического назначения МАИ.
125993, г. Москва, Волоколамское ш., 4.
Список литературы
1. . 1. Silvestroni L., Failla S., Neshpor I., Grigoriev O. Method to improve the oxidation resistance of ZrB2-based ceramics for reusable space systems. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. Iss. 6. P. 2467—2476. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.025.
2. Levine S.R., Opila E.J., Halbig M.C., Kiser J.D., Singh M., Salem J.A. Evaluation of ultra-high temperature ceramics for aero-propulsion use. J. Eur. Ceram. Soc. 2002. Vol. 22. Iss. 14—15. P. 2757—2767. DOI: 10.1016/S09552219(02)00140-1.
3. Fahrenholtz W.G., Wuchina E.J., Lee W.E., Zhou Y. Ultrahigh temperature ceramics: materials for extreme environment applications. Hoboken, New Jersey: Wiley & Sons Inc, 2014.
4. Balak Z., Zakeri M., Rahimipur M.R., Salahi E., Nasiri H. Effect of open porosity on flexural strength and hardness of ZrB2-based composites. Ceram. Int. 2015. Vol. 41. Iss. 7. P. 8312—8319. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.02.143.
5. Sonber J.K., Murthy T.S.R.C., Subramanian C., Kumar S., Fotedar R.K., Suri A.K. Investigations on synthesis of ZrB2 and development of new composites with HfB2 and TiSi2. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2011. Vol. 29. Iss. 1. P. 21—30. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2010.06.007.
6. Neuman E.W., Hilmas G.E., Fahrenholtz W.G. Processing, microstructure and mechanical properties of zirconium diboride-boron carbide ceramics. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. Iss. 9. P. 6942—6948. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.02.117.
7. Nasseri M.M. Comparison of HfB2 and ZrB2 behaviors for using in nuclear industry. Ann. Nucl. Energy. 2018. Vol. 114. P. 603—606. DOI: 10.1016/j.anucene.2017.12.060.
8. Saunders T., Grasso S., Reece M.J. Limiting oxidation of ZrB2 by application of an electric field across its oxide scale. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 653. P. 629—635. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.08.112.
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. 457—493.
10. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M.M., Kerans R.J. A model for transitions in oxidation regimes of ZrB2. Mater. Sci. Forum. 2008. Vol. 595—598. P. 823—832. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.595-598.823.
11. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M.M., Kerans R.J. A model for the oxidation of ZrB2, HfB2 and TiB2. Acta Mater. 2007. Vol. 55. Iss. 17. P. 5999—6010. DOI: 10.1016/j. actamat.2007.07.027.
12. Wang Z., Niu Y., Hu C., Li H., Zeng Y., Zheng X., Ren M., Sun J. High temperature oxidation resistance of metal silicide in corporated ZrB2 composite coatings prepared by vacuum plasma spray. Ceram. Int. 2015. Vol. 41. Iss. 10. Pt. B. P. 14868—14875. DOI: 10.1016/j.ceramint. 2015.08.015.
13. Zhang W.-Z., Zeng Y., Gbologah L., Xiong X., Huang B. Preparation and oxidation property of ZrB2—MoSi2/SiC coating on carbon/carbon composites. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2011. Vol. 21. Iss. 7. P. 1538—1544. DOI: 10.1016/S1003-6326(11)60893-5.
14. Sciti D., Guicciardi S., Bellosi A., Pezzotti G. Properties of a pressureless-sintered ZrB2—MoSi2 ceramic composite. J. Amer. Ceram. Soc. 2006. Vol. 89. Iss. 7. P. 2320—2322. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2006.00999.x.
15. 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. Iss. 7. P. 579—582. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.11.019.
16. 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. DOI: 10.1016/j.corsci.2014.02.026.
17. Knittel S., Mathieu S., Vilasi M. The oxidation behaviour of uniaxial hot pressed MoSi2 in air from 400 to 1400 °C. Intermetallics. 2011. Vol. 19. Iss. 8. P. 1207—1215. DOI: 10.1016/j.intermet.2011.03.029.
18. Fei X., Niu Y., Ji H., Huang L., Zheng X. Oxidation behavior of ZrO2 reinforced MoSi2 composite coatings fabricated by vacuum plasma spraying technology. J. Therm. Spray Technol. 2010. Vol. 19. Iss. 5. P. 1074—1080. DOI: 10.1007/ s11666-010-9505-0.
19. Potanin A.Yu., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Shvindina N.V., Sviridova T.A. Kinetics and oxidation mechanism of MoSi2—MoB ceramics in the 600— 1200 °C temperature range. Ceram.Int. 2017. Vol. 43. Iss. 13. P. 10478—10486. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.05.093.
20. Wei W.-C.J., Tsung-Ming W. Oxidation of carbon/carbon composite coated with SiC—(Si/ZrSi2)—ZrSi2. Carbon. 1994. Vol. 32. Iss. 4. P. 605—613. DOI: 10.1016/00086223(94)90079-5.
21. 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. Corr. Sci. 2012. Vol. 60. P. 4—9. DOI: 10.1016/j.corsci.2012.04.018.
22. Chamberlain A.L., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Ellerby D.E. High-strength zirconium diboride-based ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2004. Vol. 87. Iss. 6. P. 1170— 1172. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2004.01170.x.
23. Monteverde F. The thermal stability in air of hot-pressed diboride matrix composites for uses at ultra-high temperatures. Corros. Sci. 2005. Vol. 47. Iss. 8. P. 2020—2033. DOI: 10.1016/j.corsci.2004.09.019.
24. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for materials synthesis. N.Y.: Taylor and Francis, 2015.
25. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Учеб. пос. М.: Изд. дом МИСиС, 2011.
26. Borovinskaya I.P., Gromov A.A., Levashov E.A., Maksimov Y.M., Mukasyan A.S., Rogachev A.S. Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis: History, theory, technology, and products. Elsevier, 2017.
27. Wu W.-W., Zhang G.-J., Kan Y.-M., Wang P.-L. Combustion synthesis of ZrB2—SiC composite powders ignited in air. Mater. Lett. 2009. Vol. 63. Iss. 16. P. 1422—1424. DOI: 10.1016/j.matlet.2009.03.038.
28. Khanra A.K., Pathak L.C., Godkhindi M.M. Double SHS of ZrB2 powder. J. Mater. Process. Technol. 2008. Vol. 202. Iss. 1-3. P. 386—390. DOI: 10.1016/j.jmatprotec. 2007.09.007.
29. Сamurlu H.E., Maglia F. Preparation of nano-size ZrB2 powder by self-propagating high-temperature synthesis. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. Iss. 8. P. 1501—1506. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.09.006.
30. Iatsyuk I.V., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Combustion synthesis of high-temperature ZrB2-SiC ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. Iss. 7. P. 2792—2801. DOI: 10.1016/j. jeurceramsoc.2018.02.016.
31. Mishra S.K., Das S., Ramchandrarao P. Microstructure evolution during sintering of self-propagating high-temperature synthesis produced ZrB2 powder. J. Mater. Res. 2002. Vol. 17. Iss. 11. P. 2809—2814. DOI: 10.1557/ JMR.2002.0408.
32. Licheri R., Orrù R., Musa C., Cao G. Combination of SHS and SPS Techniques for fabrication of fully dense ZrB2— ZrC—SiC composites. Mater. Lett. 2008. Vol. 62. Iss. 3. P. 432—435. DOI: 10.1016/j.matlet.2007.05.066.
33. Hu P., Gui K., Hong W., Zhang X. Preparation of ZrB2— SiC ceramics by single-step and optimized two-step hot pressing using nanosized ZrB2 powders. Mater. Lett. 2017. Vol. 200. P. 14—17. DOI: 10.1016/j.matlet. 2017.04.089.
34. Wu W.-W., Zhang G.-J., Kann Y.-M., Wang P.-L., Vanmeensel K., Vleugelsc J., O. Van der Biest. Synthesis and microstructural features of ZrB2—SiC-based composites by reactive spark plasma sintering and reactive hot pressing. Scr. Mater. 2007. Vol. 57. Iss. 4. P. 317—320. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.04.025.
35. Pogozhev Yu.S., Iatsyuk I.V., Potanin A.Yu., Levashov E.A., Novikov A.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. The kinetics and mechanism of combusted Zr—B—Si mixtures and the structural features of ceramics based on zirconium boride and silicide. Ceram. Int. 2016. Vol. 42. Iss. 15. P. 16758—16765. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.07.157.
36. Stevens R. Zirconia and zirconia ceramics. Twickenham: Magnesium Elektron, 1986.
37. Mihai L.L., Parlatescu I., Gheorghe C., Andreescu C., Bechir A., Pacurar M., Cumpata C.N. In vitro study of the effectiveness to fractures of the aesthetic fixed restorations achieved from zirconium and alumina. Rev. Chim. 2014. Vol. 65. No. 6. P. 725—729.
38. Evans A.G., Cannon R.M. Toughening of brittle solids by martensitic transformations. Acta Metall. 1986. Vol. 34. Iss. 5. P. 761—800. DOI: 10.1016/0001-6160(86)90052-0.
39. Yadav A.K., Ponnilavan V., Kannan S. Crystallization of ZrSiO4 from a SiO2—ZrO2 binary system: The concomitant effects of heat treatment temperature and TiO2 additions. Crystal Growth Design. 2016. Vol. 16. Iss. 9. P. 5493—5500. DOI: 10.1021/acs.cgd.6b00959.
Для цитирования:
Астапов А.Н., Погожев Ю.С., Лемешева М.В., Рупасов С.И., Вершинников В.И., Лифанов И.П., Рабинский Л.Н. Магнийтермический синтез и консолидация многокомпонентной порошковой керамики в системе Zr–Si–Mo–B. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019;(1):30-41. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-1-30-41
For citation:
Astapov A.N., Pogozhev Yu.S., Lemescheva M.V., Rupasov S.I., Vershinnikov V.I., Lifanov I.P., Rabinskiy L.N. Magnesiothermal synthesis and consolidation of multicomponent powder ceramics in the Zr–Si–Mo–B system. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2019;(1):30-41. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-1-30-41
Просмотров: 295
Послать статью по эл. почте 