Search academic texts

Registration Number

0822U101028, PhD dissertation

Title

Oxidation resistance and high temperature strength of ultrahigh temperature composite ceramics based on ZrB2 and ZrB2 – SiC

Author

Vedel Dmytro V,

popup.head Grigoriev Oleg M.
popup.opponent Prikhna Tetyana Oleksiyivna
popup.opponent Bohomol Yurii I.
popup.review Podrezov Yuri Mykolayovich
popup.review Lytvyn Roman V

Status

Доктор філософії, 132, Механічна інженерія. Матеріалознавство

Date

09-12-2022

Description

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню закономірностей впливу тугоплавких добавок (Cr3C2, CrB2, Mo2C, MoSi2, WC, WSi2, W2B5 SiC, HfC, TaC) та технологій отримання (гаряче пресування, вакуумне спікання та комбінована технологія) на формування структурно-фазового складу та властивостей кераміки на основі дибориду цирконію. Особлива увага приділяється системі ZrB2-SiC, як найбільш перспективній для практичного використання. Термодинамічні розрахунки для прогнозування складу композиційної кераміки на основі ZrB2 показали, що додавання карбідів (VC, NbC, TiC, HfC, TaC, Mo2C, WC) та силіцидів (WSi2, MoSi2) призводить до взаємодії між компонентами. У випадку додавання силіцидів взаємодія відбувається з утворенням стабільного бориду добавки (WB, MoB). При додаванні карбідної складової взаємодія відбувається, у першу чергу, із оксидами (ZrO2, B2O3), які знаходяться на поверхні дибориду цирконію, що призводить до утворюється ZrC та бориду добавки. Здатність до відновлення оксидів зростає в ряді VC > NbC > TiC > HfC > TaC > Mo2C > WC. Результати термодинамічних розрахунків підтверджено експериментальними дослідженнями. У роботі методом гарячого пресування отримували композити на основі дибориду цирконію з добавками Cr3C2, CrB2, Mo2C, MoSi2, WC, WSi2, W2B5 у кількості 3–20 об.%. У результаті вивчення структури композиційних матеріалів показано, що додавання вже 5 об.% карбіду (Cr3C2, Mo2C, WC) активує процес спікання за рахунок взаємодії між компонентами з утворенням нових тугоплавких сполук. Карбідні добавки (Cr3C2, WC, Mo2C), які безпосередньо вводились у шихту, відсутні в структурі отриманого матеріалу. Натомість, за рахунок реакції взаємодії карбіду із оксидом цирконію, який виступає в ролі домішки, утворюються тверді розчини на основі карбіду цирконію, які є найбільш термодинамічно стабільними фазами. При додаванні силіцидних добавок (WSi2 чи MoSi2) спостерігається утворення WB чи MoB, SiC та легкоплавких прошарків на основі SiO2. При додаванні CrB2 чи W2B5 утворюються тверді розчини на основі ZrB2. Незалежно від виду добавки на границі зерен дибориду цирконію відбувається утворення твердих розчинів на його основі з формуванням структури ядро-оболонка, що підтверджено за мікрорентегноспектральним аналізом (МРСА) та методами рентгенівської дифракції (РФА). Міцність кераміки ZrB2–тугоплавка сполука при кімнатній температурі становила 500–600 МПа. При підвищенні температури випробування до 1800 °С міцність матеріалів знижується до 180 МПа у випадку силіцидних добавкок (MoSi2, WSi2), у той час як при введенні карбідних добавок (Mo2C, WC) міцність становить від 240 до 600 МПа. Така різниця пов’язана із структурою та фазовим складом: у матеріалах із силіцидними добавками на границях зерен присутні легкоплавкі фази, а додавання карбідів зменшує їх кількість та сприяє утворенню більш тугоплавких сполук ZrC, MeB (MoB, WB) на границях зерен, що ускладнює рух тріщини під час руйнування. Встановлено залежність стійкості до окиснення від вмісту добавки для композиційних керамік систем ZrB2–MeC та ZrB2–MeВ2 Оптимум корозійної стійкості кераміки досягається при ~5 об.% добавки MeC або MeВ2. Менший вміст добавки не дозволяє повністю ущільнити матеріал, більший вміст (від 5 об.%) призводить до утворення кратерів та тріщин в окалині за рахунок нижчої стійкості до окиснення добавки Cr3C2, CrB2, Mo2C,WC чи W2B5. Силіцидні добавки підвищують стійкість до окиснення кераміки на основі ZrB2 за рахунок утворення на поверхні стабільного боросилікатного скла, що забезпечує нормальну роботу композиту при температурі 1500 °С протягом 50 год. При введені до дибориду цирконію добавок карбідів (Mo2C, WC) чи боридів (CrB2, W2B5) на поверхні композитів не утворюється захисна плівка, тому вони можуть працювати при температурі 1500 °С до 5 год. У роботі апробовано ідею про створення кераміки на основі дибориду цирконію з високими показниками жаростійкості та жароміцності за рахунок одночасного введення добавок силіциду молібдену (MoSi2), як найбільш жаростійкого компонента, та карбіду вольфраму (WC), як найбільш жароміцного. Виявлено, що в процесі отримання композиційних матеріалів системи ZrB2–MoSi2–WC відбувається хімічна взаємодія між компонентами, що призводить до утворення нових фаз (Mo, W)B, (Zr, Mo, W)B2 та присутність оксидів ZrO2 та SiO2). Встановлено, що вміст 15 об.% MoSi2 у композиті ZrB2–MoSi2–WC забезпечує стійкість до окиснення (10 мг/см2), але при цьому зменшує жароміцність (145 ± 35 МПа). У результаті зменшення вмісту MoSi2 до 7,5 об.% жароміцність підвищується (175 ± 28 МПа), однак це призводить до погіршення жаростійкості (15 мг/см2). Вміст 5 об.% WC не призводить до повного очищення матеріалу ZrB2–MoSi2–WC від оксидних фаз, а тому не вдається забезпечити необхідний рівень високотемпературної міцності (>300 МПа).