Самораспространяющийся высокотемпературный синтез боридной керамики на основе MAB-фазы состава MoAlB
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-2-38-51
Аннотация
Работа посвящена исследованию кинетики и механизмов горения реакционных смесей в тройной системе Mo–Al–B, рассчитанных на образование MAB-фазы состава MoAlB. Показано влияние начальной температуры на основные параметры процесса горения. Установлено, что предварительный подогрев реакционной смеси слабо влияет на максимальную температуру горения. Рассчитано значение эффективной энергии активации процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). С применением баз данных AFLOW и Materials Project построены фазовые диаграммы в системе Mo–Al–B. Изучены фазовый состав и структура синтезированной керамики, в которой основной составляющей являются пластинчатые зерна MoAlB толщиной 0,4 мкм и длиной 2–10 мкм. Также идентифицированы линии промежуточных боридов MoB и Mo2B5, суммарная доля которых не превышает 3 %. Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии в межзеренных порах установлено наличие фазы Al2O3. Изучена стадийность химических превращений в волне горения и сделано предположение о механизме структурообразования. В процессе СВС первичными фазами могут являться MoO2 и Al2O3, при этом фаза MoAlB образуется из борсодержащего алюминий-молибденового расплава. Выявлено, что субмикронные выделения МoB формируются в зоне дореагирования в результате частичного окисления алюминия по механизму дисперсного упрочнения.
Ключевые слова
самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС),
фазообразование,
кинетика и механизмы горения,
MAB-фаза,
MoAlB
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 21-79-10103.
Об авторах
А. Ю. Потанин
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Научно-учебного центра (НУЦ) СВС МИСиС–ИСМАН
119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Е. А. Башкиров
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
инженер научного проекта НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН
г. Москва
Ю. С. Погожев
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
канд. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП); вед. научный сотрудник НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН
г. Москва
Д. Ю. Ковалев
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
докт. физ.-мат. наук, зав. лабораторией рентгеноструктурных исследований ИСМАН
142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8
Н. А. Кочетов
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории динамики микрогетерогенных процессов ИСМАН
г. Черноголовка
П. А. Логинов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений»; ст. преподаватель кафедры ПМиФП
г. Москва
Е. А. Левашов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»
Россия
Россия
докт. техн. наук, проф., акад. РАЕН, зав. кафедрой ПМиФП; директор НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН
г. Москва
Список литературы
1. Golla B.R., Mukhopadhyay A., Basu B., Thimmappa S.K. Review on ultra-high temperature boride ceramics. Prog. Mater. Sci. 2020. Vol. 111. P. 100651.
2. Rosli N.F., Nasir M.Z.M., Antonatos N., Sofer Z., Dash A., Gonzalez-Julian J., Fisher A.C., Webster R.D., Pumera M. MAX and MAB phases: Two-dimensional layered carbide and boride nanomaterials for electrochemical applications. ACS Appl. Nano Mater. 2019. Vol. 2. Iss. 9. P. 6010—6021.
3. Dahlqvist M., Tao Q., Zhou J., Palisaitis J., Persson P.O.Å., Rosen J. Theoretical prediction and synthesis of a family of atomic laminate metal borides with in-plane chemical ordering. J. Amer. Chem. Soc. 2020. Vol. 142. Iss. 43. P. 18583—18591.
4. Kota S., Sokol M., Barsoum M.W. A progress report on the MAB phases: atomically laminated, ternary transition metal borides. Int. Mater. Rev. 2020. Vol. 65. Iss. 4. P. 226—255.
5. Halla F., Thury W. Über boride von molybdän und wolfram. Zeitschrift für Anorg und Allg Chemie. 1942. Bd. 249. No. 3. S. 229—237.
6. Jeitschko W. Die Kristallstruktur von MoAlB. Mh. Chem. 1966. Bd. 97. S. 1472—1476.
7. Kota S., Zapata-Solvas E., Ly A., Lu J., Elkassabany O., Huon A., Lee W.E., Hultman L., May S.J., Barsoum M.W. Synthesis and characterization of an alumina forming nanolaminated boride: MoAlB. Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 26475.
8. Yan H., Chen L., Peng J., Chang X., Li P., Zhang M., Wei Q. High-pressure monoclinic phase of MoAlB. Results Phys. 2021. Vol. 31. P. 104980.
9. Natu V., Kota S.S., Barsoum M.W. X-ray photoelectron spectroscopy of the MAB phases, MoAlB, M2AlB2 (M = Cr, Fe), Cr3AlB4 and their binary monoborides. J. Eur. Ceram. Soc. 2020. Vol. 40. Iss. 2. P. 305—314.
10. Bai Y., Qi X., Duff A., Li N., Kong F., He X., Wang R., Lee W.E. Density functional theory insights into ternary layered boride MoAlB. Acta Mater. 2017. Vol. 132. P. 69—81.
11. Verger L., Kota S., Roussel H., Ouisse T., Barsoum M.W. Anisotropic thermal expansions of select layered ternary transition metal borides: MoAlB, Cr2AlB2, Mn2AlB2, and Fe2AlB2. J. Appl. Phys. 2018. Vol. 124. Iss. 20. P. 205108.
12. Rieger W., Nowotny H., Benesovsky F. Über einige Komlexboride von Übergangsmetallen. Mh. Chem. 1965. Bd. 96. No. 3. P. 844—851.
13. Shi O., Xu L., Jiang A., Xu Q., Xiao Y., Zhu D., Grasso S., Hu C. Synthesis and oxidation resistance of MoAlB single crystals. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. Iss. 2. P. 2446—2450.
14. Xu L., Shi O., Liu C., Zhu D., Grasso S., Hu C. Synthesis, microstructure and properties of MoAlB ceramics. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. Iss. 11. P. 13396—13401.
15. Su X., Dong J., Chu L., Sun H., Grasso S., Hu C. Synthesis, microstructure and properties of MoAlB ceramics prepared by in situ reactive spark plasma sintering. Ceram. Int. 2020. Vol. 46. Iss. 10. P. 15214—15221.
16. Ade M., Hillebrecht H. Ternary borides Cr2AlB2, Cr3AlB4, and Cr4AlB6: The first members of the series (CrB2) nCrAl with n = 1, 2, 3 and a unifying concept for ternary borides as MAB-phases. Inorg. Chem. 2015. Vol. 54. P. 6122—6135.
17. 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. Oxford: Elsevier, 2017.
18. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-рropagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2017. Vol. 62. Iss. 4. P. 203—239.
19. Gonzalez-Julian J. Processing of MAX phases: From synthesis to applications. J. Amer. Chem. Soc. 2021. Vol. 104. Iss. 2. P. 659—690.
20. Zhang Z., Duan X., Jia D., Zhou Y., Zwaag S. On the formation mechanisms and properties of MAX phases: A review. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. Vol. 41. Iss. 7. P. 3851—3878.
21. Akhlaghi M., Tayebifard S.A., Salahi E., Shahedi A.M., Schmidt G. Self-propagating high-temperature synthesis of Ti3AlC2 MAX phase from mechanically-activated Ti/Al/graphite powder mixture. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. Iss. 8. P. 9671—9678.
22. Hendaoui A., Vrel D., Amara A., Langlois P., Andasmas M., Guerioune M. Synthesis of high-purity polycrystalline MAX phases in Ti—Al—C system through mechanically activated self-propagating high-temperature synthesis. J. Eur. Ceram. Soc. 2010. Vol. 30. Iss. 4. P. 1049—1057.
23. Thomas T., Bowen C.R. Effect of particle size on the formation of Ti2AlC using combustion synthesis. Ceram. Int. 2016. Vol. 42. Iss. 3. P. 4150—4157.
24. Chlubny L., Lis J., Chabior K., Chachlowska P., Kapusta C. Processing and properties of MAX phases-based materials using SHS technique. Arch. Metall. Mater. 2015. Vol. 60. Iss. 2. P. 859—863.
25. Potanin A.Yu., Loginov P.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Patsera E.I., Kochetov N.A. Effect of mechanical activation on Ti3AlC2 max phase formation under self-propagating high-temperature synthesis. Eurasian Chem. Technol. J. 2015. Vol. 17. Iss. 3. P. 233—242.
26. Amosov A.P., Latukhin E.I., Petrov P.A., Amosov E.A., Novikov V.A., Illarionov A.Yu. Self-propagating high-temperature synthesis of boron-containing MAX-phase. Key Eng. Mater. 2017. Vol. 746. P. 207—213.
27. Liang B., Dai Z., Zhang W., Li Q., Niu D., Jiao M., Yang L., Guan X. Rapid synthesis of MoAlB ceramic via thermal explosion. J. Mater. Res. Technol. 2021. Vol. 14. P. 2954—2961.
28. Merz J., Richardson P., Cuskelly D. Formation of Mn2AlB2 by induction-assisted self-propagating high-temperature synthesis. Open Ceram. 2021. Vol. 8. P. 100190.
29. Oses C., Gossett E., Hicks D., Rose F., Mehl M.J., Perim E., Takeuchi I., Sanvito S., Scheffler M., Lederer Y., Levy O., Toher C., Curtarolo S. AFLOW-CHULL: Cloud-oriented platform for autonomous phase stability analysis. J. Chem. Inf. Model. 2018. Vol. 58. Iss. 12. P. 2477—2490.
30. Kas J.J., Vila F.D., Pemmaraju C.D., Prange M.P., Persson K.A., Yang R.X., Rehr J.J. Full spectrum optical constant interface to the Materials Project. Comput. Mater. Sci. 2022. Vol. 201. P. 110904.
31. Kovalev D.Y., Ponomarev V.I. Time-resolved X-ray diffraction in SHS research and related areas: An overview. Int. J. Self-Propag. High-Temp Synth. 2019. Vol. 28. Iss. 2. P. 114—123.
32. Rogachev A.S., Mukasyan A.S., Varma A. Quenching of combustion waves in heterogeneous reaction systems: Time-resolved thermal vision studies. Combust. Sci. Technol. 2003. Vol. 175. Iss. 2. P. 357—372.
33. 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. Iss. 5. P. 6541—6552.
34. 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. Iss. 10. P. 16299—16308.
35. Mukasyan A.S., Shuck C.E. Kinetics of SHS reactions: A review. Int. J. Self-Propag. High-Temp Synth. 2017. Vol. 26. Iss. 3. P. 145—165.
36. Egishyan A.V., Manukyan Kh.V., Harutyunyan A.B., Kharatyan S.L. Influence of molybdenum and boron oxides on combustion in the Mo—B gasless system. Int. J. Self-Propag. High-Temp Synth. 2006. Vol. 15. Iss. 1. P. 33—40.
37. Babkin S.B., Bloshenko V.N., Borovinskaya I.P. Mechanism of mass transfer with combustion of the SHS-system Mo + B. Combust. Explos. Shock Waves. 1991. Vol. 27. Iss. 3. P. 333—338.
38. 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. Sustainable Dev. 2005. Vol. 13. Iss. 2. P. 197—204.
39. Ковалев Д.Ю., Аверичев О.А., Лугинина М.А., Бажин П.М. Фазообразование в системе Ti—Al—C при СВС. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 4. С. 11—18.
40. Bazhin P.M., Kovalev D.Yu., Luginina M.A., Averichev O.A. Combustion of Ti—Al—C compacts in air and helium: A TRXRD study. Int. J. Self-Propag. High-Temp Synth. 2016. Vol. 25. Iss. 1. P. 30—34.
41. Vadchenko S.G., Sytschev A.E., Kovalev D.Yu., Shchukin A.S., Konovalikhin S.V. Self-propagating high-temperature synthesis in the Ti—Si—C system: Features of product patterning. Nanotechnol. Russ. 2015. Vol. 10. P. 67—74.
42. Wang L., Zhang G.-H., Chou K.-C. Study on oxidation mechanism and kinetics of MoO2 to MoO3 in air atmosphere. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2016. Vol. 57. P. 115—124.
Рецензия
Для цитирования:
Потанин А.Ю., Башкиров Е.А., Погожев Ю.С., Ковалев Д.Ю., Кочетов Н.А., Логинов П.А., Левашов Е.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез боридной керамики на основе MAB-фазы состава MoAlB. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;(2):38-51. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-2-38-51
For citation:
Potanin A.Yu., Bashkirov E.A., Pogozhev Yu.S., Kovalev D.Yu., Kochetov N.A., Loginov P.A., Levashov E.A. Self-propagating high-temperature synthesis of MoAlB boride ceramics based on MAB-phase. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya). 2022;(2):38-51. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-2-38-51
Просмотров:
538
Послать статью по эл. почте 