КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ ZrB2–SiC–MoSi2

Работа посвящена получению по гибридной технологии (самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) + горячее прессование) компактной керамики ZrB2–SiC–(MoSi2), а также изучению ее фазового состава, структуры и кинетики высокотемпературного окисления. Реакционные смеси готовили по следующей схеме: механическое активирование (МА) порошков Si + C; мокрое смешение порошков Zr, B и МА-смеси Si + C; сушка смесей в сушильном шкафу.
В реакторе в режиме горения путем элементного синтеза получен композиционный СВС-порошок ZrB2–SiC. Методом горячего прессования СВС-порошка получены компактные образцы, характеризующиеся однородной структурой и низкой остаточной пористостью, не превышающей 1,3 %. Для испытаний были выбраны два состава: первый, рассчитанный на образование ZrB2 + 25 % SiC; второй аналогичен первому, но с добавкой 5 % готового порошка MoSi2. Микроструктура образцов представлена дисперсными темно-серыми округлыми зернами SiC, распределенными среди светлых ограненных зерен ZrB2. Образец с добавкой MoSi2 имеет более мелкодисперсную структуру. В результате высокотемпературного окисления образцов при температуре 1200 °C на их поверхности формируются комплексные оксидные пленки SiO2–ZrO2–(B2O3) толщиной порядка 20–30 мкм, служащие эффективным диффузионным барьером и снижающие скорость окисления. В их структуре после длительных выдержек (более 10 ч) также присутствует сложный оксид ZrSiO4. Кроме того, после 10 ч испытаний наблюдается незначительная убыль массы образцов, что обусловлено улетучиванием газообразных продуктов окисления (B2O2, CO/CO2, MoO3). Образец с добавкой MoSi2 продемонстрировал лучшую стойкость к окислению.

1. Kuwabara K. Some characteristics and applications of ZrB2 ceramics. Bull. Ceram. Soc. Jpn. 2002. Vol. 37. No. 4. P. 267—271.

2. Brown A.S. Hypersonic designs with a sharp edge. Aerospace Am. 1997. Vol. 35. No. 9. P. 20—21.

3. Mroz C. Zirconium diboride. Am. Ceram. Soc. Bull. 1994. Vol. 73. No. 6. P. 141—142.

4. Norasetthekul S., Eubank P.T., Bradley W.L., Bozkurt B., Stucker B. Use of zirconium diboride-copper as an electrode in plasma applications. J. Mater. Sci. 1999. Vol. 34. No. 6. P. 1261—1270.

5. Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz W., Talmy I. UHTCs: Ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications. Interface. 2007. Vol. 16. No. 4. P. 30 — 36.

6. Grigoriev O., Galanov B., Lavrenko V., Panasyuk A., Ivanov S., Koroteev A., Nickel K. Oxidation of ZrB2—SiC—ZrSi2 ceramics in oxygen. J. Europ. Ceram. Soc. 2010. Vol. 30. P. 2397—2405.

7. Licheri R., Orrù R., Musa C., Cao G. Combination of SHS and SPS techniques for fabrication of fully dense ZrB2—ZrC—SiC composites. Mater. Lett. 2008. Vol. 62. P. 432—435.

8. Wu W.W., Zhang G.J., Kan Y.M., Wang P.L., Vanmeense K., Vleugels J., Vander Biest O. Synthesis and microstructural features of ZrB2—SiC-based composites by reactive spark plasma sintering and reactive hot pressing. Scr. Mater. 2007. Vol. 57. P. 317—320.

9. Monteverde F., Scatteia L. Resistance to thermal shock and to oxidation of metal diborides-SiC ceramics for aerospace application. J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. No. 4. P. 1130—1138.

10. Monteverde F. Beneficial effects of an ultra-fine α-SiC incorporation on the sinterability and mechanical properties of ZrB2. Appl. Phys. 2006. Vol. A82. P. 329— 337.

11. Opeka M.M., Talmy I.G., Wuchina E.J., Zaykoski J.A., Causey S.J. Mechanical, thermal and oxidation properties of refractory hafnium and zirconium compounds. J. Eur. Ceram. Soc. 1999. Vol. 19. P. 2405—2414.

12. Grigoriev O., Galanov B., Kotenko V., Ivanov S., Koroteev A., Brodnikovsky N. Mechanical properties of ZrB2—SiC(ZrSi2) ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2010. Vol. 30. P. 2173—2181.

13. Silvestroni L., Landi E., Bejtka K., Chiodoni A., Sciti D. Oxidation behavior and kinetics of ZrB2 containing SiC chopped fibers. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 4377—4387.

14. Silvestroni L., Meriggi G., Sciti D. Oxidation behavior of ZrB2 composites doped with various transition metal silicides. Corros. Sci. 2014. Vol. 83. P. 281—291.

15. Макаров А.В., Багаратьян Н.В., Збежнева С.Г., АлешкоОжевская Л.А., Георгобиани Т.П. Ионизация и фрагментация молекул B2O2 и BO при электронном ударе. Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41. No. 4. С. 227—230; Makarov A.V., Bagarat’yan N.V., Zbezhneva S.G., Aleshko-Ozhevskaya L.A., Georgobiani T.P. Ionizatsiya i fragmentatsiya molekul B2O2 i BO pri elektronnom udare [Ionization and fragmentation of the molecules B2O2 and BO at electronic blow]. Vestnik. MGU. Ser. 2. Khimiya. 2000. Vol. 41. No. 4. P. 227—230.

16. Eremina E.N., Kurbatkina V.V., Levashov E.A., Rogachev A.S., Kochetov N.A. Obtaining the composite MoB material by means of force SHS compacting with preliminary mechanical activation of Mo—10%B mixture. Chem. for Sustainable Develop. 2005. Vol. 13. P. 197—204.

17. Fahrenholtz W.G. Thermodynamic analysis of ZrB2—SiC oxidation: formation of a SiC-Depleted region. J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. No. 1 P. 143—148.

18. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M., Cinibulk M.K. Modeling oxidation kinetics of SiC-containing refractory diborides. J. Am. Ceram. Soc. 2012. Vol. 95 No. 1. P. 338—349.

19. Eakins E., Jayaseelan D.D., Lee W.E. Toward oxidation-resistant ZrB2-SiC ultra high temperature ceramics. Metall. Mater. Trans. A. 2011. Vol. 42. No. 4. P. 878—887.

20. Gao D., Zhang Y., Fu J., Xu C., Song Y., Shi X. Oxidation of zirconium diboride—silicon carbide ceramics under an oxygen partial pressure of 200 Pa: Formation of zircon. Corros. Sci. 2010. Vol. 52. No. 10. P. 3297—3303.

21. Silvestroni L, Sciti D. Effects of MoSi2 additions on the properties of Hf—and Zr—B2 composites produced by pressureless sintering. Scripta Mater. 2007. Vol. 57. P. 165—168.

22. Potanin A.Yu., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Shvindina N.V., Sviridova T.A. Kinetics and oxidation mechanism of MoSi2—MoB ceramics in the 600—1200 °C temperature range. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. No. 13. P. 10478—10486.

23. Яцюк И.В., Погожев Ю.С., Левашов Е.А., Новиков А.В., Кочетов Н.А., Ковалев Д.Ю. Особенности получения и высокотемпературного окисления СВС-керамики на основе борида и силицида циркония. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2017. No. 1. С. 29—41; Iatsyuk I.V., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Novikov A.V., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Osobennosti polucheniya i vysokotemperaturnogo okisleniya SVS-keramiki na osnove borida i silitsida tsirkoniya [Features of production and high-temperature oxidation of SHS-ceramics based on zirconium boride and zirconium silicide]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2017. No. 1. Р. 29—41.

24. Яцюк И.В., Погожев Ю.С., Новиков А.В. Синтез высокотемпературной керамики ZrB2—SiC в режиме горения. Цвет. металлы. 2017. No. 12. С. 67—73; Iatsyuk I.V., Pogozhev Yu.S., Novikov A.V. Sintez vysokotemperaturnoi keramiki ZrB2—SiC v rezhime goreniya [Synthesis of high-temperature ceramics ZrB2—SiC in the combustion regime]. Tsvet. metally. 2017. No. 12. P. 67—73.

25. Kiryukhantsev-Korneev P.V., Lemesheva M., Yatsyuk I., Shtansky D.V., Levashov E.A. Comparative investigation of Zr—B—(N), Zr—Si—B—(N), and Zr—Al—Si—B—(N) hard coatings. 44-th Inter. Conf. on metallurgical coatings and thin films (ICMCTF) (San Diego, California, USA, April 23—28, 2017). Р. 50—51.

26. Sciti D., Guicciardi S., Bellosi A. Properties of apressureless-sintered ZrB2—MoSi2 ceramic composite. J. Am. Ceram. Soc. 2006. Vol. 7. P. 2320—2322.

27. Yu Y., Luo R., Xiang Q., Zhang Y., Wanga T. Antioxidation properties of a BN/SiC/Si3N4—ZrO2—SiO2 multilayer coating for carbon/carbon composites. Surf. & Coat. Technol. 2015. Vol. 277. P. 7—14.

28. Liu J., Cao L.-Y., Huang J.-F., Xin Y., Yang W.-D., Fei J., Yao C.-Y. A ZrSiO4/SiC oxidation protective coating for carbon/carbon composites. Surf. & Coat. Technol. 2012. Vol. 206. P. 3270—3274.