Особенности синтеза, структура и свойства перспективной высокотемпературной керамики системы Hf-Ta-B-Ti-Si

Исследованы особенности элементного синтеза керамических материалов системы Hf-Ta-B-Ti-Si для получения перспективной высокотемпературной керамики и анализа ее структуры и свойств. Изучены макрокинетические параметры самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Построены зависимости температуры и скорости горения от начальной температуры. Установлено, что определяющую роль в процессе горения играют химические превращения, протекающие через жидкую фазу. Путем остановки фронта горения в медном клине изучены процессы структуро- и фазообразования. Определен механизм формирования фаз в волне горения. После контактного плавления Si и Ti и растворения в расплаве B, Hf и Ta по механизму реакционной диффузии из пересыщенного расплава выделяются первичные кристаллы диборидов гафния, титана и тантала. Благодаря близости кристаллических решеток формируется двухфазная структура, состоящая из многокомпонентных твердых растворов на основе диборида и боридосилицида. Пористые продукты синтеза заданного состава перерабатывали в порошок необходимой фракции для последующего спекания методами горячего прессования (ГП) и искрового плазменного спекания (ИПС). Выявлено, что консолидированные методами ГП, ИПС и силового СВС-компактирования образцы имеют близкий фазовый состав, содержащий твердые растворы на основе диборида (Hf,Ti,Та)В₂ и боридосилицида (Hf,Ti,Та)₅Si₃В. Из керамики, полученной по указанным технологиям, были изготовлены стандартные образцы для оценки физико-механических свойств. Установлено, что твердость и модуль упругости твердого раствора (Hf,Ti,Та)В₂ в 2-3 раза выше, чем у боридосилицида (Hf,Ti,Та)₅Si₃В. Плотность полученной керамики в зависимости от состава варьируется от 8 до 6,5 г/см³, что соответствует пористости менее 5 %. Определены температурные зависимости теплоемкости и температуропроводности. Теплопроводность керамики, полученной методами ГП и ИПС, составила 24,05 и 23,1 Вт/(м•К) соответственно.

1. Opeka M.M., Talmy I.G., Zaykoski J.A. Oxidation-based materials selection for 2000°C+ hypersonic aerosurfaces: theoretical considerations and historical experience. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5887—904. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000041686.21788.77.

2. Zhang Z., Nan C., Xu J., Gao Z., Li M., Wang J. Oxidation behaviors of C—ZrB2—SiC composite at 2100°C in air and O2. J. Mater. Sci. Technol. 2014. Vol. 30. No. 12. P. 1223—1229. DOI: 10.1016/j.jmst.2014.04.013.

3. Guo S-Q. Densification of ZrB2-based composites and their mechanical and physical properties: a review. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29 (6). Р. 995—1011. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.11.008.

4. Schlichting K.W., Padture N.P., Klemens P.G. Thermal conductivity of dense and porous yttria-stabilized zirconia. J. Mater. Sci. 2001. Vol. 36. No. 12. P. 3003— 3010. DOI: 10.1023/A:1017970924312.

5. Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Talmy I.G., Zaykoski J.A. Refractory diborides of zirconium and hafnium. J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90 (5). Р. 1347—1364. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01583.x.

6. Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz W., Talmy I. UHTCs: Ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications. Interface. 2007. Vol. 16 (4). P. 30—36. DOI: 10.1007/s10853-017-0857-4.

7. Rodriguez.-Sanchez. J, Sanchez-Gonzalez E, Guiberteau F, Ortiz A.L. Contact-mechanical properties at intermediate temperatures of ZrB2 ultra-high-temperature ceramics pressureless sintered with Mo, Ta, or Zr disilicides. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 3179—3185. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.04.023.

8. Zhang X., Hilmas G.E., Fahrenholtz W.G. Synthesis, densification, and mechanical properties of TaB2. Mater. Lett. 2008. Vol. 62. P. 4251—4253. DOI: 10.1016/j.matlet.2008.06.052.

9. Zhang L, Pejakovic D.A., Marschall J., Gasch M. Thermal and electrical transport properties of spark plasma-sintered HfB2 and ZrB2 ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2011. Vol. 94. P. 2562—2570. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04411.x.

10. Sciti D., Balbo A., Bellosi A. Oxidation behaviour of a pressureless sintered HfB2—MoSi2 composite. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 1809—1815. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.09.018.

11. Justin J.F., Jankowiak A. Ultra-high temperature ceramics: Densification, properties and thermal stability. Aerospace Lab. 2011. No. 3. P. 1—11. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01183657/.

12. Zimmermann J.W., Hilmas G.E., Fahrenholtz W.G., Dinwiddie R.B., Porter W.D., Wang H. Thermophysical properties of ZrB2 and ZrB2—SiC ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2008. Vol. 91. P. 1405—1411. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02268.x.

13. Opila E., Levine S. Oxidation of ZrB2- and HfB2-based ultra-high temperature ceramics: Effect of Ta additions. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5969—5977. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000041693.32531.d1.

14. Sayir A. Carbon fiber reinforced hafnium carbide composite. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5995—6003. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000041696.64055.8c.

15. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2017. Vol. 62. P. 203—239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.

16. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Levashov E.A., Timofeev A.N. Self-propagating high-temperature synthesis of refractory boride ceramics (Zr,Ta)B2 with superior properties. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. P. 1118—1127. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.031.

17. Licheri R, Orris R, Musa C, Locci A.M., Cao G. Spark plasma sintering of ZrB2- and HfB2-based ultra high temperature ceramics prepared by SHS. Int. J. SHS. 2009. Vol. 18. P. 15—24. DOI: 10.3103/S106138620901004X.

18. Licheri R., Orri R., Musa C., Cao G. Processing and characterization of Zr-, Hf- and Ta-based ultra high temperature ceramics. Adv. Sci. Technol. 2010. Vol. 65. P. 118— 123. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AST.65118.

19. Orri R., Cao G. Comparison of reactive and non-reactive spark plasma sintering routes for the fabrication of monolithic and composite UHTC materials. Materials. 2013. Vol. 6 (5). P. 1566—1583. DOI: 10.3390/ma6051566.

20. Musa C., Licheri R., Orri R., Cao G. Synthesis, sintering and oxidative behaviour of HfB2—HfSi2 ceramics. Industr. Eng. Chem. Res. 2014. Vol. 53. P. 9101—9108. DOI: 10.1021/ie4032692.

21. Licheri R., Musa C., Orri R., Cao G. Influence of the heating rate on the in-situ synthesis and consolidation of ZrB2 by reactive spark plasma sintering. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 1129—1137. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.10.039.

22. Licheri R., Musa C., Orri R., Cao G., Sciti D., Silvestro-ni L. Bulk monolithic zirconium and tantalum diborides by reactive and non-reactive spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 663. P. 351—359. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.12.096.

23. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Levashov E.A. Combustion synthesis of ultra-high-temperature materials based on (Hf,Ta)B2. Part 1: The mechanisms of combustion and structure formation. J. Ceram. Int. 2019. Vol. 45 (3). P. 4067— 4075. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.10.113.

24. 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. J. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. P. 10478— 10486. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.05.093.

25. Vorotilo S., Potanin A.Y., Iatsyuk I.V., Levashov E.A. SHS of silicon-based ceramics for the high-temperature applications. Adv. Eng. Mater. 2018. Vol. 20. No. 1800200. DOI: 10.1002/adem.201800200.

26. Vorotilo S., Potanin A.Yu., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced ceramics MoSi2—HfB2— MoB. J. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. No. 1. P. 96—107. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.09.138

27. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. 2-е изд. М.: Металлургия, 1976. URL: http://libarch.nmu.org.ua/handle/GenofondUA/78485

28. Shiryaev A.A. Thermodynamic of SHS: Modern approach. Int. J. SHS. 1995. Vol. 4. P. 351—362.

29. Bjrovinskaya I.P., Gromov A.A., Levashov E.A., Maksimov Yu.M., Mukasyan A.S., Rogachev A.S. Concise enciclopedia of self-propagated high-temperature synthesis. Elsevier, 2017.

30. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов. МиТОМ. 2000. No. 8. P. 16—19.

31. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing. Crystallogr. Rep. 2007. Vol. 52 (6). P. 966—974.

32. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. М.: Машиностроение, 1996. URL: http://www.vixri.ru/?p=4635.

33. Клопотов А.А., Абзаев Ю.А., Петрикова Е.А., Будовских Е.А., Громов В.Е. Электронно-ионно-плазменные методы наноструктурирования поверхностного слоя сплавов на основе титана и алюминия: Матер. 10-й Междунар. конф. «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, Беларусь, 2013 г.). Минск: Изд. центр БГУ, 2013. С. 254—259. URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/48353.

34. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Smirnov D.V., Levashov E.A., Vorotilo S., Timofeev A.N. Combustion synthesis of ultra-high-temperature ceramics based on (Hf,Ta)B2. Part 2: Structure, mechanical and thermophysical properties of consolidated ceramics. J. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 4076—4083. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.10.165.