Открытый доступ
Только для подписчиков
Экзотермический синтез бинарных твердых растворов на основе карбидов гафния и циркония
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-30-37
Аннотация
Представлены результаты экспериментального исследования возможности получения одностадийным методом электротеплового взрыва (ЭТВ) под давлением ультратугоплавких керамик, представляющих собой твердые растворы карбидов HfC и ZrC. На основе термодинамических данных рассчитаны адиабатическая температура горения и фазовый состав равновесного конечного продукта. Показано, что при содержании в конечном продукте менее 20 мас.% ZrC адиабатическая температура горения достигает 3800–3900 К, а продукт горения содержит карбиды гафния и циркония. Изучено влияние режимов механического активирования в планетарной центробежной мельнице АГО-2 реакционной смеси, содержащей порошки Hf, Zr и C, на ее характеристики, формирование фазового состава и микроструктуру твердых растворов карбидов. Установлено, что при высокоэнергетическом смешивании в гексане происходит разрушение кристаллической структуры частиц Hf и Zr и образование аморфных композитных частиц. Синтезированные образцы ультратугоплавкой керамики изучены методами рентгенофазового и микроструктурного анализов. Показано, что в ходе экзотермического синтеза формируются однофазные твердые растворы карбидов HfC и ZrC, средний размер частиц которых составляет 0,2–1,5 мкм. Остаточная пористость полученных бинарных карбидов находится в интервале 10–12 %. Выявлено, что, несмотря на высокую температуру нагрева образца в ходе ЭТВ под давлением, размер частиц полученных твердых растворов значительно (на порядок) меньше размера частиц аналогичных сложных карбидов (20–50 мкм), полученных другими методами (SPS и горячим прессованием), что связано с быстротечностью экзотермического взаимодействия реагентов (10–50 мс) в ходе ЭТВ.
Об авторах
В. А. Щербаков
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
докт. физ.-мат. наук, зав. лабораторией энергетического стимулирования физико-химических процессов
142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8
А. Н. Грядунов
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаборатории энергетического стимулирования физико-химических процессов
142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8
М. И. Алымов
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
докт. техн. наук, проф., чл.-кор. РАН, директор
142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8
Список литературы
1. Chandran B.S.N., Devapal D., Veedu P.P. Synthesis of ultra high temperature ceramic zirconium carbide for space applications. Trans. Indian Natl. Acad. Eng. 2021. Vol. 6. Iss. 1. P. 57—64. DOI: https://doi.org/10.1007/s41403-020-00176-w.
2. Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments. Scripta Mater. 2017. Vol. 129. P. 94—99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.10.018.
3. Sani E., Mercatelli L., Meucci M., Balbo A., Silvestroni L., Sciti D. Compositional dependence of optical properties of zirconium. hafnium and tantalum carbides for solar absorber applications. Sol. Energy. 2016. Vol. 131. P. 199— 207. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.02.045.
4. Sani E., Mercatelli L., Sans J.-L., Silvestroni L., Sciti D. Porous and dense hafnium and zirconium ultra-high temperature ceramics for solar receivers. Opt. Mater. 2013. Vol. 36. Iss. 2. P. 163—168. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2013.08.020.
5. Andrievskii R.A., Strel’nikova N.S., Poltoratskii N.I., Kharkhardin E.D., Smirnov V.S. Melting point in systems ZrC—HfC, TaC—ZrC, TaC—HfC. Powder Metall. Met. Ceram. 1967. Vol. 6. Iss. 1. P. 65—67. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00773385.
6. Ghaffari S.A., Faghihi-Sani M.A., Golestani-Fard F., Nojabayy M. Diffusion and solid solution formation between the binary carbides of TaC, HfC and ZrC. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 41. P. 180—184. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2013.03.009.
7. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М.: Металлургия, 1976.
8. Shabalin I.L. Ultra-high themperature materials II. Refractory carbides I (Ta, Hf, Nb and Zr Carbides). Springer Nature B.V., 2019. P. 145—248, 423—675. DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-024-1302-1.
9. Smith C.J., Ross M.A., De Leon N., Weinberger C.R., Thompson G.B. Ultra-high temperature deformation in TaC and HfC. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. Iss. 16. P. 5319—5332. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.017.
10. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Levashov E.A., Timofeev A.N. Self-propagating high-temperature synthesis of singlephase binary tantalum-hafnium carbide (Ta,Hf)C and its consolidation by hot pressing and spark plasma sintering. Ceram. Int.. 2018. Vol. 44. Iss. 4. P. 4320—4329. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.12.024.
11. Sun S.-K., Zhang G.-J., Wu W.-W., Liu J.-X., Suzuki T., Sakka Y. Reactive spark plasma sintering of ZrC and HfC ceramics with fine microstructures. Scripta Mater. 2013. Vol. 69. Iss. 2. P. 139—142. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.02.017.
12. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Levashov E.A., Vorotilo S. SHS processing and consolidation of Ta—Ti—C, Ta— Zr—C, and Ta—Hf—C carbides for ultra-high-temperatures application. Adv. Eng. Mater. 2018. Vol. 20. Iss. 8. Art. 1701075. DOI: https://doi.org/10.1002/adem.201701075.
13. Patsera E.I., Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Kovalev D.Y. Production of ultra-high temperature carbide (Ta,Zr)C by self-propagating high-temperature synthesis of mechanically activated mixtures. Ceram. Int. 2015. Vol. 41(7). P. 8885—8893. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.03.146.
14. Tsai M.H., Yeh J.-W. High-entropy alloys: A critical review. Mater. Res. Lett. 2014. Vol. 2. Iss. 3. P. 107—123. DOI: https://doi.org/10.1080/21663831.2014.912690.
15. Zhang R-Z., Reece M.J. Review of high entropy ceramics: design. synthesis. structure and properties. J. Mater. Chem. A. 2019. Vol. 7. P. 22148—22162. DOI: https://doi.org/10.1039/C9TA05698J.
16. 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(1). P. 8609. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-26827-1.
17. Dusza J., Švec P., Girman V., Sedlák R., Castle E.G., Csanádi T., Kovalčíkova A., Reece M.J. Microstructure of (Hf—Ta—Zr—Nb)C high-entropy carbide at micro and nano/atomic level. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. Iss. 12. P. 4303—4307. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.05.006.
18. Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Vadchenko S.G., Alymov M.I. Exothermic synthesis and consolidation of single-phase ultra-high-temperature composite Ta4ZrC5. Dokl. Chem. 2019. Vol. 488. No. 1. P. 242—245. DOI: https://doi.org/10.1134/S0012500819090027.
19. Lubnin A.N., Dorofeev G.A., Nikonova R.M., Mukhgalin V.V., Lad’yanov V.I. Stacking faults and mechanisms straininduced transformations of HCP metals (Ti, Mg) during mechanical activation in liquid hydrocarbons. Phys. Solid State. 2017. Vol. 59. No. 11. P. 2226—2238. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063783417110191.
20. Dorofeev G.A., Lad’yanov V.I., Lubnin A.N., Mukhgalin V.V., Kanunnikova O.M., Mikhailova S.S., Aksenova V.V. Mechanochemical interaction of titanium powder with organic liquids. Int. J. Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Iss. 18. P. 9690—9699. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.101.
21. Shiryaev A.A. Thermodynamics of SHS: An advanced approach. Int. J. SHS. 1995. Vol. 4. No. 4. P. 351—362.
22. Dorofeev G.A., Lubnin A.N., Lad’yanov V.I., Mukhgalin V.V., Puskkarev B.E. Structural and phase transformations during ball milling of titanium in medium of liquid hydrocarbons. Phys. Met. Metallogr. 2014. Vol. 115. Iss. 2. P. 157— 168. DOI: https://doi.org/10.1134/S0031918X14020057.
23. Demirskyi D., Borodianska H., Suzuki T.S., Sakka Y., Yoshimi K., Vasylkiv O. High-temperature flexural strength performance of ternary high-entropy carbide consolidated via spark plasma sintering of TaC, ZrC and NbC. Scripta Mater. 2019. Vol. 164. P. 12—16. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.01.024.
Рецензия
При поддержке: Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 19-08-01085 А) с использованием оборудования Центра коллективного пользования ИСМАН
Для цитирования:
Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Алымов М.И. Экзотермический синтез бинарных твердых растворов на основе карбидов гафния и циркония. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021;(4):30-37. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-30-37
For citation:
Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Alymov M.I. Exothermic synthesis of binary solid solutions based on hafnium and zirconium carbides. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2021;(4):30-37. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-30-37
Просмотров: 218
Послать статью по эл. почте 