.png)
.png)
Послать статью по эл. почте 
Физико-механические свойства горячепрессованных материалов в системе ZrB2‒TaC‒SiC
https://doi.org/10.17073/1683-4518-2018-10-16-23
Аннотация
Высокоплотные (с относительной плотностью до 98,8 %) сверхвысокотемпературные керамические материалы (UHTCs) на основе системы ZrB2‒TaC‒SiC были получены горячим прессованием при 2000 оC с выдержкой 15 мин и под давлением 30 МПа в атмосфере аргона. Исследованы фазовый состав, параметры кристаллической решетки, микроструктура, предел прочности при изгибе, твердость по Виккерсу и трещиностойкость. Максимальные значения предела прочности, твердости и трещиностойкости составили 440 МПа, 20,3 ГПа и 5,3 МПа·м1/2 соответственно. Установлено влияние соотношения ZrB2/TaC на постоянные решетки и механические свойства материала.
Об авторах
Д. Д. НесмеловРоссия
кандидат технических наук
Санкт-Петербург
И. Д. Шабалкин
Россия
Санкт-Петербург
А. С. Лысенков
Россия
кандидат технических наук
Москва
С. С. Орданьян
Россия
доктор технических наук
Санкт-Петербург
Список литературы
1. Fahrenholtz, W. G. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments / W. G. Fahrenholtz, G. E. Hilmas // Scripta Mater. ― 2017. ― Vol. 129. ― P. 94‒99.
2. Андриевский, Р. А. Тугоплавкие соединения: новые подходы и результаты / Р. А. Андриевский // Успехи физических наук. ― 2017. ― Т. 187, № 3. ― С. 296‒310. [Andrievski, R. A. High-melting-point compounds: new approaches and new results / R. A. Andrievski // Physics-Uspekhi. ― 2017. ― Vol. 60, № 3. ― P. 276.]
3. Simonenko, E. P. Promising ultra-high-temperature ceramic materials for aerospace applications / E. P. Simonenko, D. V. Sevast’yanov, N. P. Simonenko [et al.] // Russian Journal of Inorganic Chemistry. ― 2013. ― Vol. 58, № 14. ― P. 1669‒1693.
4. Talmy, I. G. Synthesis, processing and properties of TaC‒TaB2‒C ceramics /I. G. Talmy, J. A. Zaykoski, M. M. Opeka// J. Eur. Ceram. Soc. ― 2010. ― Vol. 30, № 11. ― P. 2253‒2263.
5. Guo, S. Q. Mechanical and physical behavior of spark plasma sintered ZrC‒ZrB2‒SiC composites /S. Q. Guo, Y. Kagawa, T. Nishimura [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2008. ― Vol. 28, № 6. ― P. 1279‒1285.
6. Shabalin, I. L. Physicomechanical properties of ultrahigh temperature heteromodulus ceramics based on group 4 transition metal carbides /I. L. Shabalin, Y. Wang, A. V. Krynkin [et al.] // Advances in Applied Ceramics. ― 2010. ― Vol. 109, № 7. ― P. 405‒415.
7. Medri, V. Comparison of ZrB2‒ZrC‒SiC composites fabricated by spark plasma sintering and hot pressing / V. Medri, F. Monteverde, A. Balbo [et al.] // Adv. Eng. Mater. ― 2005. ― Vol. 7, № 3. ― P. 159‒163.
8. Popov, O.Structure formation of TiB2‒TiC‒B4C‒C hetero-modulus ceramics via reaction hot pressing / O. Popov, S. Chornobuk, V. Vishnyakov // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. ― 2017. ― Vol. 64. ― P. 106‒112.
9. Sciti, D. Processing, mechanical properties and oxidation behavior of TaC and HfC composites containing 15 vol. % TaSi2 or MoSi2 / D. Sciti, L.Silvestroni, S. Guicciardi, D. Dalle Fabbriche, A. Bellosi // J. Mater. Res. ― 2009. ― Vol. 24, № 6. ― С. 2056‒2065.
10. Ghaffari, S. A. Spark plasma sintering of TaC‒HfC UHTC via disilicides sintering aids / S. A. Ghaffari, M. A. Faghihi-Sani, F. Golestani-Fard, H. Mandal // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2013. ― Vol. 33, № 8. ― P. 1479‒1484.
11. Соколов, П. С. Сверхвысокотемпературная керамика на основе ZrB2‒SiC: получение и основные свойства / П. С. Соколов, А. В. Аракчеев, И. Л. Михальчик [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 1. ― С. 33‒39. [Sokolov, P. S. Ultrahigh-temperature ceramic based on ZrB2‒SiC: preparation and main properties / P. S. Sokolov, A. V. Arakcheev, I. L. Mikhal’chik [et al.] // Refractories and Industrial Ceramics. ― 2017. ― Vol. 58, № 1. ― P. 46‒52.]
12. Inoue, R. Initial oxidation behaviors of ZrB2‒SiC‒ZrC ternary composites above 2000 °C / R. Inoue, Y. Arai, Y. Kubota, Y. Kogo, K. Goto // J. Alloys Compd. ― 2018. ― Vol. 731. ― P. 310‒317.
13. Arai, Y. In-situ observation of oxidation behavior in ZrB2‒SiC‒ZrC ternary composites up to 1500 °C using high-temperature observation system / Y. Arai, R. Inoue, H. Tanaka, Y. Kogo, K. Goto // J. Ceram. Soc. Jpn. ― 2016. ― Vol. 124, №. 9. ― P. 890―897.
14. Kubota, Y. Oxidation behavior of ZrB2‒SiC‒ZrC at 1700 °C / Y. Kubota, H. Tanaka, Y. Arai [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37, № 4. ― P. 1187‒1194.
15. Akin, I. Mechanical and oxidation behavior of spark plasma sintered ZrB2‒ZrC‒SiC composites / I. Akin, G. Goller // J. Ceram. Soc. Jpn. ― 2012. ― Vol. 120, № 1400. ― P. 143‒149.
16. Wang, Z.The oxidation behaviors of a ZrB2‒SiC‒ZrC ceramic / Z. Wang, Z. Wu, G. Shi // Solid State Sciences. ― 2011. ― Vol. 13, № 3. ― P. 534‒538.
17. Wu, Z. Effect of surface oxidation on thermal shock resistance of the ZrB2–SiC–ZrC ceramic / Z. Wu, Z. Wang, G. Shi, J. Sheng // Composites Science and Technology. ― 2011. ― Vol. 71, № 12. ― P. 1501‒1506.
18. Wu, H. Fabrication and properties of 2D C/C‒ZrB2‒ZrC‒SiC composites by hybrid precursor infiltration and pyrolysis / H. Wu, C. Xie, W. Zhang [et al.] // Advances in Applied Ceramics. ― 2013. ― Vol. 112, № 6. ― P. 366‒373.
19. Li, L. Preparation and properties of 2D C/SiC‒ZrB2‒TaC composites / L. Li, Y. Wang, L. Cheng, L. Zhang // Ceram. Int. ― 2011. ― Vol. 37, № 3. ― P. 891‒896.
20. Ren, X.Ultra-high temperature ceramic TaB2‒TaC‒SiC coating for oxidation protection of SiC-coated carbon/carbon composites / X. Ren, H. Li, Q. Fu, K. Li// Ceram. Int. ― 2014. ― Vol. 40, № 7. ― P. 9419‒9425.
21. Орданьян, С. С. О строении систем SiC‒B4C‒MedB2 и перспективах создания композиционных керамических материалов на их основе / С. С. Орданьян, Д. Д. Несмелов, Д. П. Данилович, Ю. П. Удалов // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. ― 2016. ― № 4. ― С. 41‒50. [Ordanyan, S. S. Revisiting the Structure of SiC‒B4C‒MedB2 systems and prospects for the development of composite ceramic materials based on them / S. S. Ordanyan, D. D. Nesmelov, D. P. Danilovich, Yu. P. Udalov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. ― 2017. ― Vol. 58, № 5. ― P. 545‒551.]
22. Ordanyan, S. S. Nonoxide high-melting point compounds as materials for extreme conditions / S. S. Ordanyan, S. V. Vikhman, D. D. Nesmelov[et al.] // Advances in Science and Technology. ― 2014. ― Vol. 89. ― С. 47‒56.
23. Орданьян, С. С. Взаимодействие в системе ZrC‒ZrB2 / С. С. Орданьян, В. И. Унрод // Порошковая металлургия. ―1975. ― № 5 (149). ― С. 61‒64. [Ordan'yan, S. S. Reactions in the system ZrC‒ZrB2 / S. S. Ordan'yan, V. I. Unrod // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. ― 1975. ― Vol. 14, № 5. ― С. 393‒395.]
24. Орданьян, С. С. Взаимодействие в системе TaC‒TaB2 / С. С. Орданьян, В. И. Унрод, В. С. Полищук, Н. М. Сторонкина // Порошковая металлургия. ― 1976. ― № 9 (165). ― С. 40‒43. [Ordan'yan, S. S. Reactions in the system TaC‒TaB2 / S. S. Ordan'yan, V. I. Unrod, V. S. Polishchuk, N. M. Storonkina // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. ― 1976. ― Vol. 15, № 9. ― P. 692‒695.]
25. Орданьян, С. С. Взаимодействие в системе HfC‒HfB2 / С. С. Орданьян, В. И. Унрод, А. Е. Луценко // Неорганические материалы. ― 1977. ― Т. 13, № 3. ― С. 546, 547.
26. Орданьян, С. С. О закономерностях взаимодействия в системах MIV,VC-MIV,VB2 / С. С. Орданьян // Неорганические материалы. ― 1980. ― Т. 16, № 8. ― С. 1407‒1411.
27. Cedillos-Barraza, O. Investigating the highest melting temperature materials: a laser melting study of the TaC‒HfC system / O. Cedillos-Barraza, D. Manara, K. Boboridis [et al.] // Scientific reports. ― 2016. ― Vol. 6. ― Article 37962.
28. Jackson, H. F. Laser melting of spark plasma‐sintered zirconium carbide: thermophysical properties of a generation IV very high temperature reactor material / H. F. Jackson, D. J. Daniel, W. J. Clegg [et al.] // International Journal of Applied Ceramic Technology. ― 2010. ― Vol. 7, № 3. ― P. 316‒326.
29. Manara, D.The ZrC‒C eutectic structure and melting behaviour: a high-temperature radiance spectroscopy study / D. Manara, H. F. Jackson, C. Perinetti-Casoni[et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2013. ― Vol. 33, № 7. ― P. 1349‒1361.
30. Shabalin, I. L. Carbon (Graphene/Graphite) / I. L. Shabalin // Ultra-High Temperature Materials I. ― Springer, Dordrecht, 2014. ― P. 7‒235.
31. Savvatimskiy, A. I. Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963‒2003) / A. I. Savvatimskiy // Carbon. ― 2005. ― Vol. 43, № 6. ― P. 1115‒1142.
32. Zhang X. Densification and mechanical properties of TaC-based ceramics / X. Zhang, G. E. Hilmas, W. G. Fahrenholtz // Mater. Sci. Eng. A. ― 2009. ― Vol. 501, № 1/2. ― P. 37‒43.
33. Sorrell, C. C. Mechanical properties of ZrC‒ZrB2 and ZrC‒TiB2 directionally solidified eutectics / C. C. Sorrell, V. S. Stubican, R. C. Bradt // J. Am. Ceram. Soc. ― 1986. ― Vol. 69, № 4. ― P. 317‒321.
34. Sorrell, C. C. Directional solidification of (Ti, Zr) carbide ‒ (Ti, Zr) diboride eutectics / C. C. Sorrell, H. R. Beratan, R. C. Bradt, V. S. Stubican // J. Am. Ceram. Soc. ― 1984. ― Vol. 67, № 3. ― P. 190‒194.
35. Bogomol, I. The bending strength temperature dependence of the directionally solidified eutectic LaB6‒ZrB2 composite /I. Bogomol, T. Nishimura, Y. Nesterenko [et al.] // J. Alloys Compd. ― 2011. ― Vol. 509, № 20. ― P. 6123‒6129.
36. Castle, E. Processing and properties of high-entropy ultrahigh temperature carbides / E. Castle, T. Csanádi, S. Grasso [et al.] // Scientific Reports. ― 2018. ― Vol. 8, № 1. ― Article 8609.
37. Dusza, J. Microstructure of (Hf‒Ta‒Zr‒Nb) C high-entropy carbide at micro and nano/atomic level / J. Dusza, P. Švec, V. Girman [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2018. ― Vol. 38, № 12. ― P. 4303‒4307.
38. Simonenko, E. P. Synthesis of highly dispersed super-refractory tantalum-zirconium carbide Ta4ZrC5 and tantalum-hafnium carbide Ta4HfC5 via sol-gel technology / E. P. Simonenko, N. A. Ignatov, N. P. Simonenko [et al.] // Russian Journal of Inorganic Chemistry. ― 2011. ― Vol. 56, № 11. ― P. 1681‒1687.
39. Zeng, Y. Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3,000 °C / Y. Zeng, D. Wang, X. Xiong [et al.] // Nature Communications. ― 2017. ― Vol. 8. ― Article 15836.
40. Hong, Q. J.Prediction of the material with highest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations / Q. J. Hong, A. van de Walle // Phys. Rev. B. Condens. Mater. ― 2015. ― Vol. 92, № 2. ― P. 020104.
41. Arblaster, J. Solution to highest melting point challenge / J. Arblaster // Analytical and bioanalytical chemistry. ― 2015. ― Vol. 407, № 22. ― Article 6589.
42. Кац, С. М. Ползучесть сплавов систем ZrC‒ZrB2 и TiC‒TiB2 при сжатии / С. М. Кац, С. С. Орданьян, В. И. Унрод // Порошковая металлургия. ― 1981. ― № 12 (228). ― С. 70‒75. [Kats, S. M. Compressive creep of alloys of the ZrC‒ZrB2 and TiC‒TiB2 systems / S. M. Kats, S. S. Ordan'yan, V. I. Unrod // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. ― 1981. ― Vol. 20, № 12. ― С. 886‒890.]
43. Smith, C. J. Phase, hardness, and deformation slip behavior in mixed HfxTa1-xC / C. J. Smith, X. X. Yu, Q. Guo [et al.] // Acta Mater. ― 2018. ― Vol. 145. ― P. 142‒153.
44. Wang, X. G. Effect of solid solution formation on densification of hot-pressed ZrC ceramics with MC (M = V, Nb, and Ta) additions / X. G. Wang, J. X. Liu, Y. M. Kan[et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2012. ― Vol. 32, № 8. ― P. 1795‒1802.
45. Wang, Y. Oxidation behavior of ZrB2‒SiC‒TaC Ceramics / Y. Wang, B. Ma, L. Li, L. An // J. Am. Ceram. Soc. ― 2012. ― Vol. 95, № 1. ― P. 374‒378.
46. Demirskyi, D. High-strength TiB2–TaC ceramic composites prepared using reactive spark plasma consolidation / D. Demirskyi, T. Nishimura, Y. Sakka, O. Vasylkiv // Ceram. Int. ― 2016. ― Vol. 42, № 1. ― P. 1298‒1306.
47. Данилович, Д. П. Система SiC‒TiC‒TiB2 как основа керамоматричных композиционных материалов / Д. П. Данилович, В. И. Румянцев, С. С. Орданьян // Вопросы материаловедения. ― 2009. ― №. 4. ― С. 42‒47.
48. ГОСТ 20019‒74.Сплавы твердые спеченные. Метод определения предела прочности при поперечном изгибе (с Изменениями № 1, 2, 3). ― Введ. 01.01.1976. ― М. : Изд-во стандартов, 1986. ― 49 c.
49. Liu, J. X. Pressureless sintering of tantalum carbide ceramics without additives / J. X. Liu, Y. M. Kan, G. J. Zhang // J. Am. Ceram. Soc. ― 2010. ― Vol. 93, №. 2. ― P. 370‒373.
50. Rezaei, F. Densification, microstructure and mechanical properties of hot pressed tantalum carbide /F. Rezaei, M. G. Kakroudi, V. Shahedifar [et al.] // Ceram. Int. ― 2017. ― Vol. 43, № 4. ― P. 3489‒3494.
Дополнительные файлы
Для цитирования: Несмелов Д.Д., Шабалкин И.Д., Лысенков А.С., Орданьян С.С. Физико-механические свойства горячепрессованных материалов в системе ZrB2‒TaC‒SiC. Новые огнеупоры. 2018;(10):16-23. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2018-10-16-23
For citation: Nesmelov D.D., Shabalkin I.D., Lysenkov A.S., Ordanian S.S. Physical and mechanical properties of the hotpressed ZrB2‒TaC‒SiC materials. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2018;(10):16-23. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1683-4518-2018-10-16-23
Обратные ссылки
- Обратные ссылки не определены.