СВС-МЕТАЛЛУРГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Nb–Si

Композиционные материалы (КМ) на основе ниобия c функциональными и легирующими добавками (Si, Hf, Ti, Al и др.) имеют перспективу промышленного освоения в авиационном двигателестроении. Ранее авторами было показано, что такие КМ можно синтезировать в автоволновом режиме (режиме горения), используя высокоэкзотермические смеси Nb2O5 с Al, Si, Hf и Ti. Было обнаружено, что в волне горения гафний активно участвует в восстановлении Nb2O5, что усложняет его введение в КМ. Настоящая работа направлена на изучение возможности синтеза методами центробежной СВС-металлургии композиционных материалов на основе Nb с высоким содержанием Hf. В экспериментальных исследованиях, проведенных на центробежной установке под воздействием перегрузки 40 g, было показано, что замена активного Hf на менее активные его соединения Hf–Al или Hf–Ti–Si–Al в составе смесей Nb2O5/Al позволяет перевести горение смеси из взрывоподобного режима в режим стационарного горения. С увеличением размера гранул Hf–Al от 0–40 до 160–300 мкм в смеси содержание Hf в КМ возрастает от 1,3 до 3,8 мас.%. Введение в исходную шихту гранул Hf–Ti–Si–Al с размером частиц от 1 до 3 позволяет получать литые КМ на основе силицидов ниобия с содержанием Hf до 8,1 мас.%. Методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа определены интегральный состав и распределение базовых и примесных элементов в структурных составляющих литых КМ, а также их фазовый состав.
Композиционные материалы с максимальным содержанием Hf (8,1 мас.%) содержат 3 структурных составляющих: (1) – основу, которая включает Nb, Si, Ti; (2) – межзеренные границы, содержащие Nb, Ti и Al; (3) – включения на основе оксида гафния. На рентгенограмме КМ выявлены 3 фазы: твердые растворы на основе Nb и Nb5Si3, а также небольшое количество Nb3Si.

1. Bewlay B.P., Jackson M.T., Zhao J.C., Subramanian P.R., Mendiratta V.G., Lewandovski J.J. Ultrahigh-temperature Nb silicide-based composites. MRS Bulletin. 2003. Vol. 28. No. 9. P. 646—653. DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2003.192.

2. Bewlay B.P., Jackson M.T., Gigliotti M.F.X. Niobium silicide-high-temperature in situ composite, in intermetallic compounds. Principles and practice (Eds. Fleischer R.L., Westbrook J.H.). NY.: Wiley J. & Sons, 2011. Vol. 3. P. 541—560. DOI: 10.1002/0470845856.ch26.

3. Zhao J.C., Westbrook J.H. Ultrahigh-temperature materials for jet engines. MRS Bulletin. 2003. Vol. 28. No. 9. P. 622—627. DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2003.189.

4. Jéhanno P., Heilmaier M., Saage H., Böning M., Kestler H., Freudenberger J., Drawin S. Assessment of the high temperature deformation behavior of molybdenum silicide alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 463. P. 216—223.

5. Jéhanno P., Heilmaier M., Kestler H., Böning M., Venskutonis A., Bewlay B.P., Jackson M.R. Assessment of a powder metallurgical processing route for refractory metal silicide alloys. Metall. Mater. Trans. 2005. Vol. 36A. P. 515—523.

6. Saage H., Krüger M.,. Sturm D, Heilmaier M., Schneibel J.H., George E., Heatherly L., Somsen Ch., Eggeler G., Yang Y. Ductilization of Mo—Si solid solutions manufactured by powder metallurgy. Acta Mater. 2009. Vol. 57. No. 13. P. 3895—390.

7. Li Z., Tsakiropoulos P. Study of the effect of Ti and Ge in the microstructure of Nb—24Ti—18Si—5Ge in situ composite. Intermetallics. 2011. Vol. 19. No. 9. P. 1291—1297.

8. Kim J.H., Tabaru T., Hirai H., Kitahara A., Hanada S. Tensile properties of a refractory metal base in situ composite consisting of an nb solid solution and hexagonal Nb5Si3. Scripta Mater. 2003. Vol. 48. No. 10. P. 1439—1444.

9. Bundschuh K., Schüze M., Muller C., Greil P., Heider W. Selection of materials for use at temperatures above 1500°C in oxidizing atmospheres. J. Eur. Ceram. Soc. 1998. Vol. 18. No. 23. P. 89—91.

10. Drawin S., Monchoux J.P., Raviart J.L., Couret A. Microstructural properties of Nb—Si based alloys manufactured by powder metallurgy. Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 278. P. 533—538. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.278.533.

11. Klemm H., Herrmann M., Schubert C. Silicon nitride composites materials with an improved high temperature oxidation resistance. Ceram. Eng. Sci. Proc. 1997. Vol. 18. P. 615—623.

12. Sadananda K., Feng C.R., Mitra R., Deevi S.C. Creep and fatigue properties of high temperature silicides and their composites. Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 261. P. 223—238.

13. Subramanian P.R., Mendiratta M.G., Dimiduk D.M., Stucke M.A. Advanced intermetallic alloys: Beyond gamma titanium aluminides. Mater. Sci. Eng. 1997. Vol. A239—A240. P. 1—13. DOI: https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00555-8.

14. Saage H., Krüger M., Sturm D., Heilmaier M., Schneibel J.H., George E., Heatherly L., Somsen Ch., Eggeler G., Yang Y. Ductilization of Mo—Si solid solutions manufactured by powder metallurgy. Acta Mater. 2009. Vol. 57. No. 13. P. 3895—390.

15. Lawn B.R., Marshall D.B. Hardness, toughness and brittleness: an Indentation analysis. J. Amer. Ceram. Soc. 1979. Vol. 62. P. 347—350.

16. Bewley B.P., Jackson M.R., Subramanian P.R. Processing high temperature refractory-metal silicide in situ composites. J. Metals. 1999. Vol. 51. No. 4. P. 32—36. DOI: 10.1007/s11837-999-0077-8.

17. Ma C.L., Kasama A., Tanaka H., Tan Y., Mishima Y., Hanada S. Microstructures and mechanical properties of Nb/Nb-silicide in-situ composites synthesized by reactive hot pressing of ball milled powders. Mater. Trans. JIM. 2000. Vol. 41. No. 3. P. 44—51.

18. Светлов И.Л., Бабич Б.Н., Власенко С.Я., Ефимочкин И.Ю., Тимофеева О.Б., Абузин Ю.А. Высокотемпературные ниобиевые композиты, упрочненные силицидами ниобия. Журн. функц. материалов. 2007. Т. 1. No. 2. С. 48—53; Svetlov I.L., Babich B.N., Vlasenko S.Ya., Efimochkin I.Yu., Timofeeva O.B., Abuzin Yu.A. Vysokotemperaturnye niobiyevye kompozity, uprochnennye silitsidami niobiya [High-temperature niobium composites reinforced niobium silicides]. Zhurn. funktsionalnykh materialov. 2007. Vol. 1. No. 2. P. 48—53.

19. Юхвид В.И., Алымов М.И., Санин В.Н., Андреев Д.Е., Сачкова Н.В. Синтез композиционных материалов на основе силицидов ниобия методами СВС-металлургии. Неорган. материалы. 2015. Т. 51. No. 12. С. 1347—1354; Yukhvid V.I., Alymov M.I., Sanin V.N., Andreev D.E., Sachkova N.V. Sintez kompozitsionnykh materialov na osnove silitsidov niobiya metodami SVSmetallurgii [Synthesis of composite materials based on niobium silicides via SHS metallurgy]. Neorganicheskie materialy. 2015. Vol. 51. No. 12. P. 1347—1354. DOI: 10.7868/S0002337X15110159.

20. Алымов М.И., Юхвид В.И., Андреев Д.Е., Санин В.Н. Химические превращения в волнах горения многокомпонентных смесей термитного типа. Докл. АН. Физическая химия. 2015. Т. 460. No. 2. С. 173—176; Alymov M.I., Yukhvid V.I., Andreev D.E., Sanin V.N. Khimicheskie prevrashcheniya v volnakh goreniya mnogokomponentnykh smesey termitnogo tipa [Chemical transformations in combustion waves of multicomponent mixtures of thermite type]. Doklady Akademii Nauk. Fizicheskaya khimiya. 2015. Vol. 460. No. 2. P. 173—176. DOI: 10.7868/S0869565215020140.

21. Yukhvid V.I., Vishnyakova G.A., Silyakov S.L., Sanin V.N., Kachin A.R. Structural macrokinetics of alumothermic SHS processes. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1996. Vol. 1. No. 1. P. 93—105.

22. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980; Zeldovich Ya. B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva [Mathematical theory of combustion and explosion]. Moscow: Nauka, 1980.