Вплив нагріву до високих температур на механічні характеристики тугоплавких матеріалів на основі боридів

Автор(и)

  • Анастасія Станіславівна Локаткіна Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0001-6778-117X
  • Тетяна Олексіївна Пріхна Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-1621-0681
  • Віктор Євгенович Мощіль Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0003-2147-067X
  • Павло Петрович Барвіцький Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-7594-8619
  • Олександр Іванович Боримський Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-3104-4976
  • Леонід Миколайович Девін Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-1452-9904
  • Семен Семенович Пономарьов Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0003-4548-4275
  • Richard Haber Rutgers, The State University of New Jersey, США https://orcid.org/0000-0002-0399-2530
  • Тетяна Леонідівна Талако Державна наукова установа «Інститут порошкової металургії», Білорусь https://orcid.org/0000-0002-3156-105X
  • Анатолій Адольфович Бондар Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0001-7855-4909

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.228943

Ключові слова:

диборид цирконію, диборид гафнію, карбід кремнію, нітрид кремнію, ультрависокотемпературна кераміка, тугоплавкі бориди

Анотація

Об'єктом дослідження є HfB2, ZrB2 та керамічний склад HfB2-30 % SiC та ZrB2-20 % SiC, ZrB2-20 % SiC-4 % Si3N4, отримані під високим тиском, їх механічні характеристики до та після нагріву до високих температур та температур початку плавлення. Дослідження направлене на створення нових ефективних тугоплавких матеріалів для використання в аерокосмічній промисловості. Тому також були досліджені температури плавлення спечених матеріалів і вплив нагріву на їх механічні характеристики. Добавки (ZrB2-20 % SiC та HfB2-30 % SiC) хоча і приводили до зменшення питомої густини, але збільшували твердість (на 17 % і 46 % у випадку ZrB2 та HfB2, відповідно) та тріщиностійкість (на 40 % і 21 % у випадку ZrB2 та HfB2, відповідно). Однак вони істотно знижували температуру початку плавлення у вакуумі до 2150–2160 °С. Матеріали, спечені тільки з ZrB2 та HfB2, не вдалося розплавити і при нагріві до 2970 °С. Після нагріву до початку температури плавлення 2150–2160 °С (у випадку матеріалів з добавками) і до температур 2970 °С (у випадку матеріалів, спечених з ZrB2 або HfB2) твердість і тріщиностійкість зменшувались. Так, твердість матеріалу з ZrB2 зменшувалась на 19 %, тріщиностійкість – на 18 %, а, виготовленого з ZrB2-20 % SiC, – на 46 % і 32 %, відповідно. Твердість матеріалу з HfB2 зменшувалась на 46 %, тріщиностійкість – на 55 %, а виготовленого з HfB2-30 % SiC після нагріву зменшувалась на 40 %, однак тріщиностійкість зростала на 15 %. Спечений HfB2 (з густиною 10,42 г/см3) до нагріву демонстрував твердість HV(9,8 Н)=21,27±0,84 ГПа, HV(49 Н)=19,29±1,34 і HV(98 Н)=19,17±0,5, і тріщиностійкість K1C(9,8 Н)=6,47 MН·м0.5, а ZrB2 густиною 6,2 г/см3 характеризувався HV(9,8 Н)=17,66±0,60 ГПа, HV(49 Н)=15,25±1,22 ГПа і HV(98 Н)=15,32±0,36 ГПа, K1C(9,8 Н)=4,3 MН·м0.5. Матеріал, спечений з HfB2-30 % SiC (густиною 6,21 г/см3), мав Hv(9,8 Н)=38,1±1,4 ГПа, HV(49 Н)=27,7±2,8 ГПа, а K1C(9,8 Н)=8,1 MН·м0.5, K1C(49 Н)=6,8 MН·м0.5. Спечений з ZrB2–20 % SiC матеріал мав густину 5,04 г/см3, HV(9,8 Н)=24,2±1,9 ГПа, HV(49 Н)=16,7±2,8 ГПа, K1C(49 Н)=7,1 MН·м0.5. Додавання SiC до вихідної суміші значно знижує еластичність матеріалів

Біографії авторів

Анастасія Станіславівна Локаткіна, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України

Аспірант

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Тетяна Олексіївна Пріхна, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України

Доктор технічних наук, професор, завідувачка відділом, член-кореспондент НАН України

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Віктор Євгенович Мощіль, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України

Старший науковий співробітник

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Павло Петрович Барвіцький, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України

Молодший науковий співробітник

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Олександр Іванович Боримський, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України

Провідний науковий співробітник

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Леонід Миколайович Девін, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України

Провідний науковий дослідник

Відділ фізико-механічних досліджень та нанотестування матеріалів

Семен Семенович Пономарьов, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Молодший науковий співробітник

Відділ оптики і спектроскопії напівпровідникових і діелектричних матеріалів

Richard Haber, Rutgers, The State University of New Jersey

Professor, Co-Director

Ceramic, Composite and Optical Materials Center

Department of Materials Science and Engineering

Тетяна Леонідівна Талако, Державна наукова установа «Інститут порошкової металургії»

Провідний науковий співробітник

Анатолій Адольфович Бондар, Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича Національної академії наук України

Старший науковий співробітник

Відділ № 6 фізичної хімії неорганічних матеріалів

Посилання

  1. Upadhya, K., Yang, J. M., Hoffmann, W. P. (1997). Materials for ultra high temperature structural applications. American Ceramic Society Bulletin, 76, 51–56.
  2. Sichkar, S. M., Antonov, V. N., Antropov, V. P. (2013). Comparative study of the electronic structure, phonon spectra, and electron-phonon interaction of ZrB2and TiB2. Physical Review B, 87 (6). doi: http://doi.org/10.1103/physrevb.87.064305
  3. Zhang, G.-J., Guo, W.-M., Ni, D.-W., Kan, Y.-M. (2009). Ultrahigh temperature ceramics (UHTCs) based on ZrB2and HfB2systems: Powder synthesis, densification and mechanical properties. Journal of Physics: Conference Series, 176, 012041. doi: http://doi.org/10.1088/1742-6596/176/1/012041
  4. Guo, S.-Q. (2009). Densification of ZrB2-based composites and their mechanical and physical properties: A review. Journal of the European Ceramic Society, 29 (6), 995–1011. doi: http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.11.008
  5. Squire, T. H., Marschall, J. (2010). Material property requirements for analysis and design of UHTC components in hypersonic applications. Journal of the European Ceramic Society, 30 (11), 2239–2251. doi: http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.01.026
  6. McCusker, L. B., Von Dreele, R. B., Cox, D. E., Louër, D., Scardi, P. (1999). Rietveld refinement guidelines. Journal of Applied Crystallography, 32 (1), 36–50. doi: http://doi.org/10.1107/s0021889898009856
  7. Glagovskii, B. A., Roitshtein, G. Sh., Iashin, V. A. (1980). Kontrolno-izmeritelnie pribori i osnovi avtomatizatsii proizvodstva abrazivnikh instrumentov. Leningrad: Mashinostroenie, 278.
  8. Baranov, V. M. (1972). Opredelenie konstant uprugosti obraztsov materialov, imeiuschikh formu diska. Zavodskaia laboratoriia, 9, 1120–1124.
  9. Pirani, M., Alterthum, H. (1923). On a method for determining the melting point of refractory metals. Z. Elektrochem., 29 (1–2), 5–8.
  10. Bondar, A. A., Maslyuk, V. A., Velikanova, T. Y., Grytsiv, A. V. (1997). Phase equilibria in the Cr-Ni-C system and their use for developing physicochemical principles for design of hard alloys based on chromium carbide. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 36 (5-6), 242–252. doi: http://doi.org/10.1007/bf02676213
  11. Velikanova, T. Y., Bondar, A. A., Grytsiv, A. V. (1999). The chromium-nickel-carbon (Cr-Ni-C) phase diagram. Journal of Phase Equilibria, 20 (2), 125–147. doi: http://doi.org/10.1007/s11669-999-0011-3
  12. Zapata-Solvas, E., Jayaseelan, D. D., Lin, H. T., Brown, P., Lee, W. E. (2013). Mechanical properties of ZrB2- and HfB2-based ultra-high temperature ceramics fabricated by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society, 33 (7), 1373–1386. doi: http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.12.009
  13. Prikhna, T., Lokatkina, A., Moshchil, V., Barvitskyi, P., Borimsky, O., Ponomaryov, S. et. al. (2020). Investigation of mechanical characteristics of materials based on refractory borides. Technology Audit and Production Reserves, 6 (1 (56)), 40–44. doi: http://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.220320
  14. Rudy, E. (1969). Ternary phase equilibria in transition metal-boron-carbon systems: part V, compendium of phase diagram data. Technical Report AFML-TR-65-2. Wright Patterson Air Force Base (OH): Air Force Materials Laboratory.
  15. Portnoi, K. I., Romashov, V. M., Salibekov, S. E. (1971). Constitution diagram of the system tantalum-boron. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 10 (11), 925–927. doi: http://doi.org/10.1007/bf00794010
  16. Glasser, F. W., Post, B. (1953). Phase diagram zirconium-boron. Trans Metallurgical Soc AIME, 197, 1117–1118.
  17. Rogl, P., Potter, P. E. (1988). A critical review and thermodynamic calculation of the binary system: Zirconium-boron. Calphad, 12 (2), 191–204. doi: http://doi.org/10.1016/0364-5916(88)90021-1
  18. Neschpor, V. S., Samsonov, G. V. (1957). The brittleness of metallike compound. Fiz.:Metal. i Metalloved., 4, 181.
  19. Wiley, D. E., Manning, W. R., Hunter, O. (1969). Elastic properties of polycrystalline TiB2, ZrB2 and HfB2 from room temperature to 1300 °K. Journal of the Less Common Metals, 18 (2), 149–157. doi: http://doi.org/10.1016/0022-5088(69)90134-9
  20. Zhu, S., Fahrenholtz, W. G., Hilmas, G. E. (2007). Influence of silicon carbide particle size on the microstructure and mechanical properties of zirconium diboride–silicon carbide ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 27 (4), 2077–2083. doi: http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.07.003
  21. Mallik, M., Ray, K., Mitra, R. (2017). Effect of Si3N4 Addition on Oxidation Resistance of ZrB2-SiC Composites. Coatings, 7 (7), 92. doi: http://doi.org/10.3390/coatings7070092

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-04-30

Як цитувати

Локаткіна, А. С., Пріхна, Т. О., Мощіль, В. Є., Барвіцький, П. П., Боримський, О. І., Девін, Л. М., Пономарьов, С. С., Haber, R., Талако, Т. Л., & Бондар, А. А. (2021). Вплив нагріву до високих температур на механічні характеристики тугоплавких матеріалів на основі боридів. Technology Audit and Production Reserves, 2(1(58), 21–25. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.228943

Номер

Том 2 № 1(58) (2021): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Матеріалознавство: Звіт про науково-дослідну роботу

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Анастасія Станіславівна Локаткіна, Тетяна Олексіївна Пріхна, Віктор Євгенович Мощіль, Павло Петрович Барвіцький, Олександр Іванович Боримський, Леонід Миколайович Девін, Семен Семенович Пономарьов, Richard Haber, Тетяна Леонідівна Талако, Анатолій Адольфович Бондар

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.