Гетерофазная керамика в системе Hf–Si–Mo–B, полученная сочетанием методов СВС и горячего прессования

Работа посвящена получению гетерофазной порошковой и консолидированной керамики на основе боридов и силицидов гафния и молибдена путем комбинирования методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и горячего прессования (ГП). Композиционные керамические СВС-порошки HfB2–HfSi2–MoSi2 получали по схеме магнийтермического восстановления из оксидного сырья, при котором волна горения характеризуется температурами 1750–2119 К и довольно высокими значениями массовых скоростей горения 8,4–9,3 г/с. Структура синтезированных СВС-порошков состоит из относительно крупных зерен MoSi2 размером до 10 мкм и субмикронных вытянутых зерен HfB2, преимущественно расположенных внутри зерен MoSi2, а также округлых выделений Si. Состав с меньшей концентрацией бора содержит большое количество полиэдрических зерен HfSi2 размером менее 10 мкм. Полученные порошки характеризуются средним размером частиц ~6 мкм при максимальном размере до 26 мкм. Фазовые составы консолидированной методом ГП керамики и синтезированных СВС-порошков идентичны. Микроструктура компактных образцов состоит из ограненных вытянутых зерен HfB2 размером 0,5–10,0 мкм, полиэдрических зерен HfSi2 и MoSi2 размером до 8–10 мкм и прослоек кремния. Консолидированная керамика обладает высокой структурной и химической однородностью, низкой остаточной пористостью 1,1–1,7 %, высокой твердостью 11,7–12,6 ГПа и теплопроводностью 62–87 Вт/(м·К).

1. Wang P., Li H., Yuan R., Wang H., Zhang Y., Zhao Z. The oxidation resistance of two-temperature synthetic HfB2—SiC coating for the SiC coated C/C composites. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 747. P. 438—446.

2. Nasseri M.М. Comparison of HfB2 and ZrB2 behaviors for using in nuclear industry. Ann. Nucl. Energy. 2018. Vol. 114. P. 603—606.

3. Pavese M., Fino P., Badini C., Ortona A., Marino G. HfB2/ SiC as a protective coating for 2D Cf/SiC composites: Effect of high temperature oxidation on mechanical properties. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 2059—2067.

4. Mattia D., Desmaison-Brut M., Dimovski S., Gogotsi Y., Desmaison J. Oxidation behaviour of an aluminium nitride— hafnium diboride ceramic composite. J. Eur. Ceram. Soc. 2005. Vol. 25. P. 1789—1796.

5. Zhang Wu-zhuang, Zeng Yi, Gbologah Lemuel, Xiong Xiang, Huang Bai-yun. Preparation and oxidation property of ZrB2—MoSi2/SiC coating on carbon/carbon composites. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2011. Vol. 21. P. 1538—1544

6. Пойлов В.З., Прямилова Е.Н. Термодинамика окисления боридов циркония и гафния. Журн. неорган. химии. 2016. Т. 61. No. 1. С. 59—62. Poilov V.Z., Pryamilova E.N. Oxidation thermodynamics of boride zirconium and hafnium. Zhurnal neorganicheskoi khimii. 2016. Vol. 61. No. 1. P. 59—62 (In Russ.).

7. Ren J., Zhang Y., Fu Y., Zhang P., Tian S., Zhang L. Effects of the second phase on the microstructure and ablation resistance of HfC coating on C/C composites. Surf. Coat. Technol. 2018. Vol. 344. P. 250—258.

8. Xiong X., Wanga Y., Li G., Chen Z., Sun W., Wang Z. HfC/ZrC ablation protective coating for carbon/carbon composites. Corros. Sci. 2013. Vol. 77. P. 25—30.

9. Zhuiykov S. An investigation of conductivity, microstructure and stability of HfO2—ZrO2—Y2O3—Al2O3 electrolyte compositions for high-temperature oxygen measurement. J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. P. 967—976.

10. Guo S., Liu T., Ping D., Nishimura T. Enhanced high-temperature strength of HfB2—SiC composite up to 1600°C. J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. P. 1152—1157.

11. Sciti D., Balbo A., Bellosi A. Oxidation behaviour of a pressureless sintered HfB2—MoSi2 composite. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 1809—1815.

12. Mashayekh S., Baharvandi H.R. Effects of SiC or MoSi2 second phase on the oxide layers structure of HfB2-based composites. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. P. 15053—15059.

13. Wang P., Li H., Ren X., Yuan R., Hou X., Zhang Y. HfB2— SiC—MoSi2 oxidation resistance coating fabricated through in-situ synthesis for SiC coated C/C composites. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 722. P. 69—76.

14. Wang P., Li H., Sun J., Yuan R., Zhang L., Zhang Y., Li T. The effect of HfB2 content on the oxidation and thermal shock resistance of SiC coating. Surf. Coat. Technol. 2018. Vol 339. P. 124—131.

15. Wang T., Luo R. Oxidation protection and mechanism of the HfB2—SiC—Si/SiC coatings modified by in-situ strengthening of SiC whiskers for C/C composites. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. P. 12370—12380.

16. Ren X., Mo H., Wang W., Feng P., Guo L., Li Z. Ultrahigh temperature ceramic HfB2-SiC coating by liquid phase sintering method to protect carbon materials from oxidation. Mater. Chem. Phys. 2018. Vol. 217. P. 504—512.

17. Sciti D., Balbo A., Bellosi A. Oxidation behaviour of a pressureless sintered HfB2—MoSi2 composite. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 1809—1815.

18. Cook J., Khan A., Lee E., Mahapatra R. Oxidation of MoSi2-based composites. Mater. Sci. Eng. A. 1992. Vol. 155. P. 183—198.

19. Enneti R.K., Carney C., Park S., Atre S.V. Taguchi analysis on the effect of process parameters on densification during spark plasma sintering of HfB2—20SiC. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2012. Vol. 31. P. 293—296.

20. Venugopal S., Paul A., Vaidhyanathan B., Binner J.G.P., Heaton A., Brownb P.M. Synthesis and spark plasma sintering of sub-micron HfB2: Effect of various carbon sources. J. Eur. Ceram. Soc. 2014. Vol. 34. P. 1471—1479.

21. Licheri R., Orrù R., Musa C., Mario Locci A., Cao G. Consolidation via spark plasma sintering of HfB2/SiC and HfB2/HfC/SiC composite powders obtained by self-propagating high-temperature synthesis. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 478. P. 572—578.

22. Wang H., Lee S., Feng L. HfB2—SiC composite prepared by reactive spark plasma sintering. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. P. 11009—11013.

23. Gürcan K., Ayas E. In-situ synthesis and densification of HfB2 ceramics by the spark plasma sintering technique. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. P. 3547—3555.

24. Monteverde F. Ultra-high temperature HfB2—SiC ceramics consolidated by hot-pressing and spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 428. P. 197—205.

25. Mallik M., Ray K.K., Mitra R. Oxidation behavior of hot pressed ZrB2—SiC and HfB2—SiC composites. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. P. 199—215.

26. Borovinskaya I.P., Gromov A.A., Levashov E.A., Maksimov Y.M., Mukasyan A.S., Rogachev A.S. (Eds.). Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis. history, theory, technology, and products. Elsevier, 2017.

27. Orrù R., Cao G. Spark plasma sintering of SHS powders. In: Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis. History, theory, technology, and products. Elsevier, 2017. P. 349—351.

28. Mishra S.K., Das S., Pathak L.C. Defect structures in zirconium diboride powder prepared by self-propagating high-temperature synthesis. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 364. P. 249—255.

29. Licheri R., Orru` R., Musa C., Locci A. M., Cao G. Spark plasma sintering of UHTC powders obtained by self-propagating high-temperature synthesis. J. Mater. Sci. 2008. Vol. 43. P. 6406—6413.

30. Mossino P. Some aspects in self-propagating high-temperature synthesis. Ceram. Int. 2004. Vol. 30. P. 311—332.

31. Левинский М.И., Мазанко А.Ф., Новиков И.Н. Хлористый водород и соляная кислота. М.: Химия, 1985. Levinskiy M.I., Mazanko A.F., Novikov I.N. Chloride hydrogen and hydrochloric acid. Moscow: Khimiya, 1985 (In Russ.).

32. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Т. 1 и 2. Химия металлов. М.: Мир, 1972. Ripan R., Chetyanu I. Inorganic chemistry. Vol. 1 and 2. Metals chemistry. Mosocow: Mir, 1972 (In Russ.).

33. Gokhale A.B., Abbeschian G.J. The Hf—Si (hafnium-silicon) system. Bull. Alloy Phase Diagrams. 1989. Vol. 10. No. 4. P. 390—393.

34. Vorotilo S., Potanin A.Yu., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced ceramics MoSi2—HfB2—MoB. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 96—107.