Активизация, развитие прямого плазменно-искрового спекания и данного метода после синтеза горения керамометаллических составов через разные смеси расплавов металлов и/или интерметаллических соединений

Показано влияние разных смесей расплавов металлов и/или интерметаллических соединений с разными оксидными, безоксидными добавками, полученных твердых растворов металлических фаз в ходе плазменно-искрового спекания и плазменно-искрового спекания после синтеза горения на фазовый состав, микроструктуру, размеры зерен кристаллических фаз, относительную плотность, линейную усадку, микроструктурные особенности пограничных слоев, траектории микротрещин, физико-механические свойства, значения стандартных погрешностей свойств образцов. Синтезированные порошки h-BN, B₄C, NiTi, NiZr характеризуются высокой интенсивностью кристаллизации h-BN, B₄C, NiTi, NiZr. Спеченные плазменно-искровым способом c-ZrO₂, c-BC₂N при 35 МПа и 1400 ^oC, 5 ГПа и 2185 ^oC в расплаве бора показывают развитую кристаллизацию c-ZrO₂, с-BC₂N соответственно, кристаллические, однородные и плотные микроструктуры. Полученный синтезом горения порошок имеет разнофазовый состав с разной кристаллизацией фаз. Спеченные прямым плазменно-искровым методом образцы показывают развитую муллитизацию, кристаллизацию c-ZrO₂ и твердых растворов металлических фаз, а в образцах, полученных плазменно-искровым методом в разных условиях спекания после синтеза горения, заметны кристаллические, разноинтенсивные фазы. Микроструктуры образцов кристаллические, разнооднородные и разноплотные, состоят из разнодисперсных зерен кристаллических фаз. Спеченные образцы различаются относительной плотностью, линейной усадкой, плотностью, однородностью, шириной, траекторией пограничных слоев и продвигающихся микротрещин через эти пограничные слои, трещиностойкостью, значениями физико-механических, стандартных погрешностей свойств образцов.

1. Yung, D.-L. Ultra high-pressure spark plasma sintered ZrC‒Mo and ZrC‒TiC composites / D.-L. Yung, M. Antonov, L. Jaworska, I. Hussainova // J. Refract. Metals hard Mater. ― 2015. ― Vol. 61, № 2. ― P. 201‒206.

2. Yoshimi, K. Preparation of high - strength (Ta, W)C solid solutions by spark plasma sintering / K. Yoshimi, T. S. Suzuki, O. Vasylkiv // Appl. Ceram. Techn. ― 2023. ― Vol. 20, № 5. ― P. 2747‒2759.

3. Wessem, O. A. Powder metallurgy processing of a WxTaTiVCr high-entropy alloy and it’s derivative alloys for fusion material applications / O. A. Wessem, H. J. Ryu // Scien. Rep. ― 2017. ― Vol. 7, № 1. ― P. 1‒14.

4. Guo, W. Microstructures and mechanical properties of ductile NbTaTiV refractory high entropy alloy prepared by powder metallurgy / W. Guo, B. Liu, Y. Liu [et al.] // J. All. Comp. ― 2018. ― Vol. 776. ― P. 428‒436.

5. Beausolei, G. L. Spark plasma sintered, MoNbTibased multi-principal element alloys with Cr, V, and Zr / G. L. Beausolei, M. E. Parry, K. Mandal [et al.] // J. All. Comp. ― 2022. ― Vol. 927, № 8. ― P. 1‒26.

6. Zhu, H. Effect of pressure on densification and microstructure of W‒Cr‒Y‒Zr alloy during SPS consolidated at 1000 oC / H. Zhu, X. Tan, Q. Tu, Y. Mao, Z. Shu // Metals. ― 2022. ― Vol. 12, № 9. ― P. 1437‒1446.

7. Chen, Z. Microstructure and properties of NiCoCrAlTi high entropy alloy prepared using MA‒SPS technique / Z. Chen, X. Ren, P. Wang, J. Hu, C. Ge // Materials. ― 2023. ― Vol. 16, № 5. ― P. 2082‒2101.

8. Yang, S. Influence of the applied pressure on the microstructure evolution of W‒Cr‒Y‒Zr alloy during the fast process / S. Yang, W. Wang, X. Tan, Y. Wu, H. Zhu // Fusion Eng. Design. ― 2021. ― Vol. 169, № 6. ― P. 1‒6.

9. Razumov, N. Refractory CrMoNbWV high-entropy alloy manufactured by mechanical alloying and spark plasma sintering: evolution of microstructure and properties / N. Razumov, T. Makhmutov, A. Kim, B. Shemyakinsky // Materials. ― 2021. ― Vol. 14, № 3. ― P. 1‒14.

10. Хмелёв, А. В. Встраивание металлических компонентов в структуру карбонитрида титана при сверхвысоких нагрузках плазменно-искрового и взрывного спекания / А. В. Хмелёв, Цзиньпин Ли // Новые огнеупоры. ― 2023. ― № 2. ― С. 38‒56. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-2-38-56.

11. Boztemur, B. Mechanically alloyed and spark plasma sintered WNbMoVTa refractory high entropy alloys: Effects of Cr and Al on the microstructural and mechanical properties / B. Boztemur, K. G. Bayrak, H. Gokce, E. Ayas // J. All. Comp. ― 2023. ― Vol. 965, № 2. ― Р. 724‒730.

12. Senkov, O. N. Mechanical properties of Nb25Mo25Ta25W25 and V20Nb20Mo20Ta20W20 refractory high entropy alloy / O. N. Senkov, J. M. Scott, D. B. Miracle // Intermetallics. ― 2011. ― Vol. 19, № 5. ― P. 698‒706.

13. Wu, Y. Preparation of bulk TiZrNbMoV and NbTiAlTaV high entropy alloys by powder sintering / Y. Wu, P. K. Liaw, Y. Zhang // Metals. ― 2021. ― Vol. 11, № 11. ― P. 1748‒1760.

14. Cui, H. A prospect of using ternary W ‒ 5 wt. % V ‒ 5 wt. % Ta alloy manufactured by mechanical alloying and spark plasma sintering / H. Cui, N. Liu, Y. Xu [et al.] // J. Appl. Comp. ― 2022. ― Vol. 903, № 2. ― P. 534‒539.

15. Zhan, L. The mechanism of combustion synthesis of (TiCxNy‒TiB2)/Ni from Ni‒Ti‒C‒BN system / L. Zhan, P. Shen, Q. Jiang // Powder Techn. ― 2011. ― Vol. 205, № 1‒3. ― P. 52‒60.

16. Wu, J. Formation of Mo‒Si‒Ti alloys by selfpropagating combustion synthesis / J. Wu, G. Zhu, P. Feng [et al.] // Mat. Res. ― 2015. ― Vol. 18, № 4. ― P. 806‒812.

17. Riyadi, T. W. NiAl‒TiC‒Al2O3 composites formed by self-propagating high-temperature synthesis process: combustion behaviour, microstructure, and properties / T. W. Riyadi, T. Zhang, Z. Zhu // J. All. Comp. ― 2019. ― Vol. 805, № 13. ― P. 104‒112.

18. Yeh, C.-L. Combustion synthesis of FeAl‒Al2O3 composites with TiB2 and TiC additions via metallothermic reduction of Fe2O3 and TiO2 / C.-L. Yeh, C.-Y. Ke // Trans. Nonferrous Met. Soc. ― 2021. ― Vol. 30, № 9. ― P. 2510‒2518.

19. Антипов, М. С. Влияние среды на структуру и фазовый состав продуктов синтеза при горении смеси Ti‒C‒xNiCr (x = 10÷40 мас. %) / М. С. Антипов, П. М. Бажин, А. С. Константинов, П. А. Столин // Новые огнеупоры. ― 2022. ― № 8. ― С. 19‒24. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-8-19-24.

20. Michalski, A. NiAl‒Al2O3 composites produced by pulse plasma sintering with the participation of the SHS reaction / A. Michalski, J. Jaroszewicz, M. Rosinski, D. Siemiaszko // Intermetallics. ― 2006. ― Vol. 14, № 6. ― P. 603‒606.

21. Pacheco, M. M. Combustion synthesis of TiB2-based cermets: modeling and experimental results / M. M. Pacheco, R. H. Bouma, L. Katgerman // Appl. Phys. ― 2008. ― Vol. 90, № 1. ― P. 159‒163.

22. Vallauri, D. Synthesis of TiC‒TiB2‒Ni cermets by thermal explosion under pressure / D. Vallauri, A. Dcorsola // Mat. Res. ― 2009. ― Vol. 44, № 7. ― P. 1528‒1534.

23. Liang, B. Y. Combustion synthesis of Ti3SiC2 induced by spark plasma sintering / B. Y. Liang // Mat. Res. Innov. ― 2011. ― Vol. 17, № 7. ― P. 448‒452.

24. Hu, J.-Y. Microstructure refinement and workhardening behaviors of NiAl alloy prepared by combustion synthesis and hot pressing technique / J.-Y. Hu, S. Zhang, L.-J. Zhang [et al.] // Metals. ― 2023. ― Vol. 13, № 6. ― P. 1143‒1151.

25. Toropov, N. A. Phase diagrams of silicate systems / N. A. Toropov, V. P. Barzakovskii, R. V. Lapin. ― М. : Nauka, 1979. ― P. 437‒439.

26. Zhang, H. Predicted phase diagram of boron‒carbon‒nitrogen / H. Zhang, S. Yao, M. Widom // Phys. Rev. ― 2016. ― Vol. 93, № 14. ― P. 1‒9.

27. Kurakevych, O. High-pressure design of advanced BN-based materials / O. Kurakevych, V. L. Solozhenko // Molecules. ― 2016. ― Vol. 21, № 10. ― P. 1399‒1414.

28. Vorozhtcov, V. A. Phase equilibriums in the Al2O3‒ SiO2‒ZrO2 system: Calculation and Experiment / V. A. Vorozhtcov, D. A. Yurchenko, V. I. Almjashev, V. L. Stolyarova // Glass Phys. Chem. ― 2021. ― Vol. 47, № 5. ― P. 417‒426.

29. Ilatovskaia, M. Thermodynamic description of the Al2O3‒TiO2‒ZrO2 system based on experimental data / M. Ilatovskaia, G. Savinykh, O. Fabrichnaya // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37, № 10. ― P. 3461‒3469.

30. Phillips, B. Phase equilibria in the system NiO‒ Al2O3‒SiO2 / B. Phillips, J. Hutta, I. Warshaw // J. Am. Ceram. Soc. ― 2006. ― Vol. 46, № 12. ― P. 579‒583.

31. Kirillova, S. A. Phase equilibria and materials in the TiO2‒ SiO2‒ZrO2 system: a review / S. A. Kirillova, V. I. Almjashev, V. L. Stolyarova // Nanosystems: Physics, chemistry, mathematics. ― 2021. ― Vol. 12, № 6. ― P. 711‒727.

32. Zygmuntowicz, J. Fabrication and characterization of ZrO2/Ni composites / J. Zygmuntowicz, P. Falkowski, A. Miazga, K. Konopka // J. Aust. Ceram. Soc. ― 2018. ― Vol. 54, № 4. ― P. 655‒662.

33. Liu, X. J. Experimental investigation of isothermal sections (1000, 1200 oC) in the Ni‒Ti‒Zr system / X. J. Liu, L. Huang, S. Y. Yang [et al.] // J. Phase Equilib. Dif. ― 2015. ― Vol. 36, № 5. ― P. 414‒421.

34. Seifert, H. J. Phase equilibria in the Si‒B‒C‒N system / H. J. Seifert, F. Aldinger // High-performance non-oxide ceramics. ― 2021. ― Vol. 101. ― P. 1‒58.

35. Solozhenko, V. L. Prediction of novel ultra hard phases in the B‒C‒N system from first principles: progress and problems / V. L. Solozhenko, S. Mater // Materials. ― 2023. ― Vol. 16, № 2. ― P. 871‒886.

36. Guo, C. Thermodynamic description of the Ta‒W‒Zr system / C. Guo, C. Li, S. Shang, Z. Du // Intern. J. Mat. Res. ― 2014. ― Vol. 105, № 11. ― P. 1048‒1056.

37. Wang, S. Spinodal decomposition induced britt-leness of Zr‒Ta containing medium-entropy alloys / S. Wang, J. Wang, D. Shu [et al.] // Mat. Charac. ― 2023. ― Vol. 205, № 1. ― P. 1‒11.

38. Liu, X. J. Experimental investigations of phase equilibria in the Ta‒V‒Cr ternary system / X. J. Liu, P. Yang, S. Y. Yang [et al.] // J. Phase Equilib. Dif. ― 2021. ― Vol. 41, № 2. ― P. 891‒899.

39. Besmann, T. M. Thermochemical analysis and modeling of the Al2O3‒Cr2O3, Cr2O3‒SiO2, and Al2O3‒ Cr2O3‒SiO2 systems relevant to refractories / T. M. Besmann, N. S. Kulkurni // J. Am. Ceram. Soc. ― 2006. ― Vol. 89, № 2. ― P. 638‒644.

40. Dabrowska, G. Phase relations in the Al2O3‒V2O5‒ MoO3 system in the solid state. The crystal structure of AlVO4 / G. Dabrowska, P. Tabiro, M. Kurzawa // J. Phase Equilib. Dif. ― 2009. ― Vol. 30, № 3. ― P. 220‒229.

41. Ilatovskaia, M. Thermodynamic description of the Al2O3‒TiO2‒ZrO2 system based on experimental data / M. Ilatovskaia, G. Savinykh, O. Fabrichnaya // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 37, № 10. ― P. 3461‒3469.

42. Yeh, C.-L. Effects of co-reduction of Cr2O3 and V2O5 on combustion synthesis of (Cr1‒xVx)2AlC/Al2O3 solid solution composites / C.-L. Yeh, W.-J. Yang // J. All. Comp. ― 2014. ― Vol. 608, № 5. ― P. 292‒296.

43. Sheybani, K. An investigation on aluminothermic reaction of MoO3 in domestic microwave oven / K. Sheybani, M. H. Paydar, M. H. Shariat, N. Setoudeh // J. Min. Metall. Sect. B. Metall. ― 2020. ― Vol. 56, № 3. ― P. 361‒369.

44. Yeh C.-L. Effects of Ti and TiO2 on combustion synthesis of (Ti,V)2AlC/Al2O3 solid solution composites / C.-L. Yeh, W.-J. Yang // Mat. Manufact. Proces. ― 2015. ― Vol. 30, № 3. ― P. 292‒297.