Search academic texts

Registration Number

0821U102670, PhD dissertation

Title

Preparation, structure and properties of directionally solidified alloys of B4C-NbB2-SiC and B4C-TaB2-SiC systems

Author

Upatov Mykyta I.,

popup.head Bohomol Yurii Ivanovych
popup.opponent Popov Oleksii Yu.
popup.opponent Zgalat-Lozynskyy Ostap B.
popup.review Stepanchuk Anatoliy M.
popup.review Minitsky Anatoliy V.

Status

Доктор філософії, 132, Механічна інженерія. Матеріалознавство

Date

25-11-2021

Description

Дисертаційна робота присвячена вивченню спрямовано закристалізованих сплавів систем B4C-NbB2-SiC і B4C-TaB2-SiC, зокрема дослідженню їх структури, фазового складу, фізико-механічних і високотемпературних властивостей, а також закономірностей структуроутворення квазіпотрійних евтектичних сплавів. Автором проаналізовано властивості компонентів досліджуваних систем, розглянуто методи отримання спрямовано закристалізованих евтектичних сплавів, проведено огляд подвійних евтектичних систем типу B4C-MeB2, SiC-B4C і SiC-MeB2 та потрійних евтектичних систем B4C-MedB2-SiC. Розглянуто особливості структуроутворення в евтектичних системах і проаналізовано механічні властивості спрямовано закристалізованих сплавів. За допомогою металографічного аналізу визначено евтектичний склад сплавів систем B4C-NbB2-SiC і B4C-TaB2-SiC: B4C-(15-20)NbB2-(33-40)SiC та B4C-(8-12)TaB2-(38-42)SiC (мол. %) відповідно. Уперше експериментально отримано трифазові евтектичні композити B4C-NbB2-SiC і B4C-TaB2-SiC із рівномірною структурою вздовж усього зразка. Установлено, що евтектична структура сплавів системи B4C-NbB2-SiC містить три фази: B4C, NbB2, SiC. Трифазова евтектика (B4C-15NbB2-35SiC мол. %) має ламелярну структуру, в якій карбід бору виступає як матриця з рівномірно розподіленими по всьому об’єму включеннями карбіду кремнію та дибориду ніобію. Для композитів у поперечному до вирощування напрямку спрямованою є текстура фаз NbB2 у напрямку (100), SiC – у напрямку (111) та B4C – у напрямку (104). Найбільш направленою є фаза SiC у напрямку (111), як у поздовжньому, так і в поперечному до вирощування напрямках, для якої розрахований фактор Лотгеринга лежить у межах 0,8–0,9. Структурні складові у трифазовій евтектиці мають такий розмір: B4C – 4–6 мкм, NbB2 – 1–3 мкм, SiC – 2–3 мкм. Визначені такі механічні властивості евтектичного композиту B4C-15NbB2-35SiC: твердість за Віккерсом (35,8 ГПа), тріщиностійкість за навантаження 9,8 Н (6,4 МПа∙м1/2), модуль Юнга за імпульсним методом (462 ГПа), питома електропровідність (2,85–5,36×104 См/м); досліджено коефіцієнт термічного розширення у проміжку температур 22–1600 °С, міцність на згин за кімнатної температури (220 МПа) та за 1600 °С (395 МПа). Структура трифазового евтектичного композита B4C-8TaB2-40SiC (мол. %) являє собою рівномірну трифазову евтектику системи B4C-TaB2-SiC ламелярного типу по всьому об’єму зразка, в якій матрицею виступає карбід бору, а SiС та TaB2 є армуючими фазами. Загалом сплави систем B4C-TaB2-SiC та B4C-NbB2-SiC мають подібну евтектичну структуру. Рентгенофазовий аналіз показав наявність лише таких фаз: карбіду кремнію (SiC), карбіду бору та дибориду танталу; жодних інших фаз не виявлено. Встановлено взаємозв’язок між швидкістю кристалізації та лінійним параметром евтектичної структури відповідно до рівняння Джексона – Ханта. Визначено такі механічні властивості евтектичного композита B4C-8TaB2-40SiC: твердість за Віккерсом (33–34 ГПа), тріщиностійкість за навантаження 9,8 Н (3,9 МПа∙м1/2), досліджено коефіцієнт термічного розширення у проміжку 22–1600 °С. Показано, що зі збільшенням швидкості кристалізації від 1 до 10 мм/хв. відбувається зменшення розмірів структурних складових від 5,2 - 9,5 мкм до 1 - 3 мкм. Експериментальні дослідження мікромеханічних властивостей показали, що твердість за Віккерсом і тріщиностійкість зростають зі збільшенням швидкості кристалізації як у поздовжньому, так і в поперечному до вирощування напрямках. Збільшення твердості з підвищенням швидкості кристалізації спрямовано закристалізованих сплавів систем B4C-NbB2-SiC і B4C-TaB2-SiC відбувається подібно до правила Холла–Петча. Що стосується тріщиностійкості, то зменшення розмірів структурних складових сприяє зменшенню критичного розміру зародкової тріщини, яка може утворитися при навантаженні. Це також є характерним для спрямовано закристалізованих керамічних евтектик і сприяє підвищенню їх механічних властивостей. Результати аналізу поширення тріщини після індентування свідчать, що найбільш легко тріщина проходить по ділянках матричної фази карбіду бору або включень карбіду кремнію. Водночас наявність у структурі включень карбіду кремнію і диборидів приводить, як правило, або до зміни напрямку поширення тріщини, тобто до її відхилення, або взагалі до її зупинки, що своєю чергою сприяє підвищенню енергії руйнування і, отже, тріщиностійкості композита. Проаналізовано особливості структуроутворення та встановлено механізм росту трифазової чотирикомпонентної евтектики в системі B4C-NbB2-SiC, відповідно до якого кристалізація трифазової евтектики (В4С+NbB2+SiC) відбувається як безперервний сумісний ріст дендритних фаз, коли двофазова структурна складова (SiC+NbB2) росте в кооперативному режимі, а третя фаза В4С синхронно росте в автономному. Побудовано просторову модель евтектичної комірки для системи В4С-NbB2-SiC.