Preview

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Структура, свойства и окислительная стойкость перспективной керамики на основе HfB2–SiC

https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-41-54

Полный текст:

Аннотация

Работа посвящена получению гетерофазной порошковой и консолидированной керамики на основе диборида гафния и карбида кремния путем комбинирования методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и горячего прессования (ГП). Структура синтезированного СВС-порошка состоит из зерен диборида гафния и агломерированных зерен карбида кремния полиэдрической формы размером 2–6 мкм. Полученные порошки характеризуются средним размером частиц ~10 мкм при максимальном его значении порядка 30 мкм. Фазовые составы консолидированной методом ГП керамики и синтезированного порошка идентичны. Полученный компактный образец обладает высокой структурной и химической однородностью, пористостью 3,8 %, твердостью 19,8±0,4 ГПа, прочностью 597±59 МПа и трещиностойкостью 8,8±0,4 МПа·м1/2. Проведены газодинамические испытания (ГДИ) по определению окислительной стойкости при воздействии высокоэнтальпийного газового потока. Исследованы фазовый состав и микроструктура поверхности образца после испытания. ГП-образец продемонстрировал отличную стойкость к воздействию высокотемпературного газового потока при температуре 2150 °С и плотности теплового потока 5,6 МВт/м2 в течение 300 с. В процессе газодинамических испытаний на поверхности керамики HfB2–SiC образуется плотный защитный слой толщиной 30–40 мкм, состоящий из каркаса оксидных зерен HfO2, пространство между которыми заполнено аморфным боросиликатом SiO2–B2O3. Из композиционного СВС-порошка HfB2–SiC методом горячего прессования изготовлены экспериментальные образцы модельных втулок камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, предназначенные для проведения ГДИ в приближенных к реальным условиях эксплуатации.

Об авторах

Ю. С. Погожев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Погожев Ю.С. - канд. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП), ст. науч. сотрудник Научно-учебного центра (НУЦ) СВС

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

 



А. Ю. Потанин
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Потанин А.Ю. - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник НУЦ СВС

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4



С. И. Рупасов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Рупасов С.И. - вед. эксперт кафедры ПМиФП НИТУ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4



Е. А. Левашов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Левашов Е.А. - докт. техн. наук, проф., акад. РАЕН, зав. кафедрой ПМиФП НИТУ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4



В. А. Волкова
АО «Композит»
Россия

Волкова В.А. – начальник группы

141070, Московская обл., г. Королев, ул. Пионерская, 4



В. П. Ташев
АО «Композит»
Россия

Ташев В.П. - канд. техн. наук, начальник сектора

141070, Московская обл., г. Королев, ул. Пионерская, 4



А. Н. Тимофеев
АО «Композит»
Россия

Ташев В.П. - канд. техн. наук, начальник сектора

141070, Московская обл., г. Королев, ул. Пионерская, 4



Список литературы

1. Гуняев Г.М., Гофин М.Я. Углерод-углеродные композиционые материалы. Авиационные материалы и технологии. 2013. No. S1. С. 62—90.

2. Jastin J.F., Jankowiak A. Ultra high temperature ceramics: densification, properties and thermal stability. Aerospacelab J. 2011. No. 3. P. 1—11.

3. Mallik M., Kailath A.J., Ray K.K., Mitra R. Electrical and thermophysical properties of ZrB2 and HfB2 based composites. J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. Iss. 10. P. 2545—2555.

4. Fahrenholtz W.G., Wuchina E.J., Lee W.E., Zhou Y. (Eds.). Ultra-high temperature ceramics. Materials for extreme environment applications. New Jersey: Wiley, 2014.

5. Squire T.H., Marschall J. Material property requirements for analysis and design of UHTC components in hypersonic applications. J. Eur. Ceram. Soc. 2010. Vol. 30. Iss. 11. P. 2239—2251.

6. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M., Kerans R.J. A model for the oxidation of ZrB2, HfB2 and TiB2. Acta Mater. 2007. Vol. 55. Iss. 17. P. 5999—6010.

7. Monteverde F. Ultra-high temperature HfB2—SiC ceramics consolidated by hot-pressing and spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 428. Iss. 1-2. P. 197—205.

8. Соколов П.С., Аракчеев А.В., Михальчик И.Л., Плясункова Л.А., Георгиу И.Ф., Фролова Т.С., Миронов Р.А., Ланин А.В., Забежайлов A.О., Келина И.Ю., Русин М.Ю. Сверхвысокотемпературная керамика на основе HfB2—30%SiC: Получение и основные свойства. Новые огнеупоры. 2017. No. 5. С. 48—55.

9. Marschall J., Erlich D.C., Manning H., Duppler W., Ellerby D., Gasch M. Microhardness and high-velocity impact resistance of HfB2/SiC and ZrB2/SiC composites. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5959—5968.

10. Liu J-X., Zhang G-J., Xu F-F., Wu W-W., Liu H-T., Sakka Y., Nishimura T., Suzuki T.S., Ni D-W., Zou Ji. Densification, microstructure evolution and mechanical properties of WC doped HfB2—SiC ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. Iss. 10. P. 2707—2714.

11. Zhang G-J., Guo W-M., Ni D-W., Kan Y-M. Ultrahigh temperature ceramics (UHTCs) based on ZrB2 and HfB2 systems: Powder synthesis, densification and mechanical properties. J. Physics: Conf. Ser. 2009. Vol. 176. No. 012041.

12. Monteverde F., Melandri C., Guicciardi S. Microstructure and mechanical properties of an HfB2 + 30 vol.% SiC composite consolidated by spark plasma sintering. Mater. Chem. Phys. 2006. Vol. 100. Iss. 2-3. P. 513—519.

13. Zapata-Solvas E., Jayaseelan D.D., Lin H.T., Brown P., Lee W.E. Mechanical properties of ZrB2- and HfB2-based ultra-high temperature ceramics fabricated by spark plasma sintering. J. Eur. Ceram. Soc. 2013. Vol. 33. Iss. 7. P. 1373—1386.

14. Monteverde F., Scatteia L. Resistance to thermal shock and to oxidation of metal diborides-SiC ceramics for aerospace application. J. Amer. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. Iss. 4. P. 1130—1138.

15. Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Гордеев А.Н., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Папынов Е.К., Шичалин О.О., Авраменко В.А., Кузнецов Н.Т. Получение керамических материалов состава HfB2—SiC (10—20 об.%) и исследование их поведения под длительным воздействием потока диссоциированного воздуха. ЖНХ. 2014. Т. 59. No. 12. С. 1611—1632.

16. Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Гордеев А.Н., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Папынов Е.К., Шичалин О.О., Авраменко В.А., Кузнецов Н.Т. Получение керамического материала состава HfB2—SiC (45 об.%) и исследование его поведения под длительным воздействием потока диссоциированного воздуха. ЖНХ. 2014. Т. 59. No. 11. С. 1542—1556.

17. Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Гордеев А.Н., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Папынов Е.К., Шичалин О.О., Авраменко В.А., Кузнецов Н.Т. Поведение керамического материала HfB2—SiC (45 об.%) в потоке диссоциированного воздуха и анализ спектра излучения пограничного слоя над его поверхностью. ЖНХ. 2015. Т. 60. No. 11. С. 1485—1499.

18. Lee S.J., Kang E.S., Baek S.S., Kim D.K. Reactive hot pressing and oxidation behavior of Hf-based ultra-hightemperature ceramics. Surf. Rev. Lett. 2010. Vol. 17. No. 2. P. 215—221.

19. Leslie C.J., Boakye E.E., Keller K.A., Cinibulk M.K. Development of continuous SiC fiber reinforced HfB2—SiC composites for aerospace applications. In: Processing and properties of advanced ceramics and composites (N.P. Bansal, J.P. Singh, S.W. Ko, et al., eds.). 2013. Vol. 240. Hoboken (NJ): John Wiley & Sons, P. 3—12.

20. Musa C., Licheri R., Orrù R., Marocco R., Cao G. Fabrication and Characterization of SiC fiber reinforced HfB2 ceramics for space propulsion components. Ceram. Modern Technol. 2019. Vol. 1. Iss. 1. P. 51—58.

21. 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.

22. 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. Iss. 4. P. 1118—1127.

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

24. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Smirnov D.V., Levashov E.A., Vorotilo S., Timofeev A.N. Pt. 2: Structure, mechanical and thermophysical properties of consolidated ceramics based on (Hf,Ta)B2. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. Iss. 3. P. 4076—4083.

25. 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.

26. 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.

27. Licheri R., Orrù R., Musa C., Locci A.M., Cao G. Spark plasma sintering of UHTC powders obtained by self-propagating high-temperature synthesis. J. Mater. Sci. 2008. Vol. 43. Iss. 19. P. 6406—6413.

28. Licheri R., Orrù 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. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2009. Vol. 18. Iss. 1. P. 15—24.

29. Licheri R., Orrù R., Musa C., Locci A.M., Cao G. Consolidation via spark plasma sintering of HfB2/SiC and HfB2/HfC/SiC composite powders obtained by self-propagating high-temperature synthesis. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 478. Iss. 1-2. P. 572—578.

30. Potanin A.Yu., Vorotilo S., Pogozhev Yu.S., Rupasov S.I., Lobova T.A., Levashov E.A. Influence of mechanical activation of reactive mixtures on the microstructure and properties of SHS-ceramics MoSi2 —HfB2—MoB. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. Iss. 16. P. 20354—20361.

31. Mishra S.K., Das S., Pathak L.C. Defect structures in zirconium diboride powder prepared by self-Propagating high-temperature synthesis. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 364. Iss. 1-2. P. 249—255.

32. Khanra A K., Godkhindi M.M., Pathak L.C. Comparative studies on sintering behavior of self-propagating high-temperature synthesized ultra-fine titanium diboride powder. J. Amer. Ceram. Soc. 2005. Vol. 88. P. 1619—1621.

33. 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. P. 432—435.

34. Яцюк И.В., Потанин А.Ю., Рупасов С.И., Левашов Е.А. Кинетика и механизм высокотемпературного окисления керамических материалов в системе ZrB2—SiC—MoSi2. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. No. 6. С. 63—69.

35. Яцюк И.В. Получение методом СВС перспективных керамических материалов на основе боридов, силицидов циркония и карбида кремния: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МИСиС, 2018.

36. Shetty D.K., Wright I.G., Mincer P.N., Clauer A.H. Indentation fracture of WC—Co cermets. J. Mater. Sci. 1985. Vol. 20. P. 1985—1873.

37. 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. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. Iss. 1. P. 96—107.

38. Potanin A.Yu., Zvyagintseva N.V., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Rupasov S.I., Shtansky D.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Silicon carbide ceramics SHS-produced from mechanoactivated Si—C—B mixtures. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2015. Vol. 24. Iss. 3. P. 119—127.

39. Derevyanko I.V., Polyakov O.I. Studies of polytype silicon carbide produced from recycled materials. Metallurgical and Mining Industry. 2012. Vol. 4. P. 14—18.

40. Weng L., Han W., Hong Ch. Fabrication and thermal shock resistance of HfB2—SiC composite with B4C additives. Mater. Sci. Poland. 2011. Vol. 29. P. 248—252.

41. Sciti D., Brach M., Bellosi A. Long-term oxidation behavior and mechanical strength degradation of a pressurelessly sintered ZrB2—MoSi2 ceramic. Scripta Mater. 2005. Vol. 53. P. 1297—1302.

42. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M., Cinibulk M.K. Modeling oxidation kinetics of SiC-containing refractory diborides. J. Amer. Ceram. Soc. 2012. Vol. 95. Iss. 1. P. 338—349.


Для цитирования:


Погожев Ю.С., Потанин А.Ю., Рупасов С.И., Левашов Е.А., Волкова В.А., Ташев В.П., Тимофеев А.Н. Структура, свойства и окислительная стойкость перспективной керамики на основе HfB2–SiC. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020;(3):41-54. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-41-54

For citation:


Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Rupasov S.I., Levashov E.A., Volkova V.A., Tashev V.P., Timofeev A.N. Structure, properties and oxidation resistance of prospective HfB2–SiC based ceramics. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2020;(3):41-54. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-41-54

Просмотров: 42


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