Получение нестехиометрического тантал-гафниевого карбонитрида и исследование его окислительной стойкости

В данной работе комбинацией методов механического активирования (МА) и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) получен порошок нестехиометрического тантал-гафниевого карбонитрида структурного типа Fm3m (225). Механическое активирование в течение 60 мин в низкоэнергетическом режиме (347 об/мин) приводит к формированию композиционных частиц Ta/Hf/C слоистой структуры, размер которых варьируется от 1 до 20 мкм, и способствует равномерному распределению элементов. Продуктом СВС механоактивированной смеси Ta + Hf + C в среде азота (0,8 МПа) является однофазный порошок тантал-гафниевого карбонитрида состава Ta0,25Hf0,75C0,5N0,3, частицы которого характеризуются губчатой морфологией с порами и кавернами и состоят из субмикронных зерен. Посредством искрового плазменного спекания (ИПС) получен объемный образец тантал-гафниевого карбонитрида, размер зерен которого варьируется от 3 до 5 мкм, с относительной плотностью 98,2 Ѓ} 0,3 %, твердостью 19,8 Ѓ} 0,2 ГПа и трещиностойкостью 5,4 Ѓ} 0,4 МПа・м1/2. Кинетика окисления (Ta,Hf)CN при температуре 1200 °С на воздухе описывается параболическим законом, что свидетельствует о формировании оксидного слоя Hf6Ta2O17 + mHfO2 с низкой скоростью диффузии кислорода, скорость окисления при этом составляет 0,006 мг/(см2・с). Предложен механизм окисления (Ta,Hf)CN, заключающийся в том, что на первой стадии на поверхности зерен формируются Ta2O5 и HfO2, которые на второй стадии вступают в реакцию друг с другом с образованием гомологичной сверхструктуры Hf6Ta2O17 и моноклинного HfO2. Высвобождение газообразных продуктов окисления СO, CO2, NO и NO2 сопровождается образованием пор и трещин.

1. Fahrenholtz W.G., Wuchinа E.J., Lee W.E., Zhou Y. Ultra- high temperature ceramics: materials for extreme environment applications. N.Y.: John Wiley & Sons, 2014.

2. Vorotilo S., Sidnov K., Kurbatkina V.V., Loginov P.A., Patsera E.I. Sviridova T.A., Lobova T.A., Levashov E.A., Klechkovskayaet V.V. Super-hardening and localized plastic deformation behaviors in ZrB2—TaВ2 ceramics. J. Alloys Compd. 2022. Vol. 901. P. 163368. DOI:10.1016/j.jallcom.2021.163368.

3. Ushakov S.V., Navrotsky A., Hong Q. J., van de Walle A. Carbides and nitrides of zirconium and hafnium. Materials. 2019. Vol. 12. Iss. 17. P. 2728. DOI:10.3390/ma12172728.

4. Sheindlin M., Falyakhov T., Petukhov S., Valyano G., Vasin A. Recent advances in the study of high-temperature behaviour of non-stoichiometric TaCx, HfCx and ZrCx carbides in the domain of their congruent melting point. Adv. Appl. Ceram. 2018. Vol. 117. Iss. 1. P. s48—s55. DOI:10.1080/17436753.2018.1510819.

5. Aritonang S., Ezha Kurniasari W. S., Juhana R., Herawan T. Analyzing tantalum carbide (TaC) and hafnium carbide (HfC) for spacecraft material. In: Recent trends in manufacturing and materials towards industry 4.0. Singapore, Springer, 2021. P. 925—933. DOI:10.1007/978-981-15-9505-9_81.

6. Shimada S. Interfacial reaction on oxidation of carbides with formation of carbon. Solid State Ionics. 2001. Vol. 141. P. 99—104. DOI:10.1016/S0167-2738(01)00727-5.

7. Sevastyanov V.G., Simonenko E.P., Gordeev A.N., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F., Papynov E.K., Shichalin O.O., Avramenko V.A., Kuznetsov N.T. Behavior of a sample of the ceramic material HfB2—SiC (45 vol.%) in the flow of dissociated air and the analysis of the emission spectrum of the boundary layer above its surface. Russ. J. Inorg. Chem. 2015. Vol. 60. Iss. 11. P. 1360—1373. DOI:10.1134/S0036023615110133.

8. Potanin A.Yu., Astapova A.N., Pogozhev Yu.S., Rupasov S.I., Shvyndina N.V., Klechkovskaya V.V., Levashov E.A., Timofeev I.A., Timofeev A.N. Oxidation of HfB2—SiC ceramics under static and dynamic conditions. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. Vol. 41. Iss. 16. P. 34—47. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2021.09.018.

9. Zhang C., Boesl B., Agarwal A. Oxidation resistance of tantalum carbide-hafnium carbide solid solutions under the extreme conditions of a plasma jet. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. Iss. 17. P. 14798—14806. DOI:10.1016/j.ceramint.2017.07.227.

10. Savvatimskiy A.I., Onufriev S.V., Muboyadzhyan S.A. Thermophysical properties of the most refractory carbide Ta0.8Hf0.2C under high temperatures (2000—5000 K). J. Eur. Ceram. Soc. 2019. Vol. 39. Iss. 4. P. 907—914. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.030.

11. 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. P. 1701075. DOI:10.1002/adem.201701075.

12. Hong Q.J., Van De Walle A. Prediction of the material with highest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations. Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92. Iss. 2. P. 020104. DOI:10.1103/PhysRevB.92.020104.

13. Сеплярский Б.С., Брауэр Г.Б., Тарасов А.Г. Закономерности горения «безгазовой» системы Ti + 0,5C в спутном потоке азота. Физика горения и взрыва. 2011. No. 3. С. 52—59.

14. ГОСТ 20018-74 (СТ СЭВ 1253-78, ИСО 3369-75) Сплавы твердые спеченные. Метод определения плотности (с изменениями № 1, 2, 3). М.: Изд-во стандартов, 1991.

15. ГОСТ 2999—75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу (с изм. 1, 2). Управление стандартизации и сертификации сырья и материалов. Изд-во стандартов, 1986.

16. Mukasyan A.S., Rogachev A.S. Combustion synthesis: mechanically induced nanostructured materials. J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52. P. 11826—11833. DOI:10.1007/s10853017-1075-9.

17. Ghaffari S.A., Faghihi-Sani M.A., Golestani-Fard F., Mandal H. Spark plasma sintering of TaC—HfC UHTC via disilicides sintering aids. J. Eur. Ceram. Soc. 2013. Vol. 33. Iss. 8. P. 1479—1484. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2013.01.017.

18. Cedillos-Barraza O., Grasso S., Al Nasiri N., Jayaseelan D.D., Reece M.J., Lee W.E. Sintering behaviour, solid solution formation and characterisation of TaC, HfC and TaC—HfC fabricated by spark plasma sintering. J. Eur. Ceram. Soc. 2016. Vol. 36. Iss. 7. P. 1539—1548. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2016.02.009.

19. Zhang C., Gupta A., Seal S., Boesl B., Agarwal A. Solid solution synthesis of tantalum carbide—hafnium carbide by spark plasma sintering. J. Amer. Ceram. Soc. 2017. Vol. 100. Iss. 5. P. 1853—1862. DOI:10.1111/jace.14778.

20. Ivanov M.V., Perevalov T.V., Aliev V.S., Gritsenko V.A., Kaichev V.V. Electronic structure of δ-Ta2O5 with oxygen vacancy: ab initio calculations and comparison with experiment. J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. Iss. 2. P. 024115. DOI:10.1063/1.3606416.

21. Fang Q., Zhang J.-Y., Wang Z., Modreanu M., O’Sullivan B.J., Hurley P.K., Leedham T.L., Hywel D., Audier M.A., Jimenez C., Senateur J.-P. Ian W. Boyda. Interface of ultrathin HfO2 films deposited by UV-photo-CVD. Thin Solid Films. 2004. Vol. 453. P. 203—207. DOI:10.1016/j.tsf.2003.11.186.

22. McCormack S.J., Tseng K.P., Weber R.J., Kapush D., Ushakov S.V., Navrotsky A., Kriven W.M. In-situ determination of the HfO2—Ta2O5-temperature phase diagram up to 3000 °C. J. Amer. Ceram. Soc. 2019. Vol. 102. Iss. 11. P. 7028—7030. DOI:10.1111/jace.16271.

23. Yang Y., Perepezko J. H., Zhang C. Oxidation synthesis of Hf6Ta2O17 superstructures. Mater. Chem. Phys. 2017. Vol. 197. P. 154—162. DOI:10.1016/j.matchemphys.2017.04.055.

24. Zhang C., Boesl B., Agarwal A. Oxidation resistance of tantalum carbide-hafnium carbide solid solutions under the extreme conditions of a plasma jet. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. Iss. 17. P. 14798—14806. DOI:10.1016/j.ceramint.2017.07.227.