Методика проведения эксперимента

Влияние совместной и раздельной механической активации на закономерности СВС сверхвысокотемпературных однофазных карбидов в системе Ta-Zr-C

С.А. Воротыло, магистрант, Е. А. Левашов, профессор, В. В. Курбаткина, доцент, Е.И. Пацера, научный сотрудник

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва 119049, Ленинский проспект, 4

Введение.

Развитие современной авиационной и ракетной техники ставит перед наукой и промышленностью проблему создания новых сверхтугоплавких материалов. Основой таких материалов могут быть тройные карбиды тантала-циркония и тантала-гафния, которые обладают одними из самых высоких температур плавления, известных современной науке. Метод МА+СВС является наиболее перспективным методом получения таких соединений, так как подбор оптимального режима механической активации позволяет преодолевать кинетические затруднения при синтезе и минимизировать количество нежелательных оксидов и оксикарбидов в конечном продукте.

Цель работы.

Для оптимизирования кинетики горения смеси и состава конечных продуктов предлагается активировать исходную смесь двумя способами: совместно и раздельно (активирование тантала с углеродом с последующим доактивированием с цирконием).

Методика проведения эксперимента

Исходные реагенты: порошок циркония марки ПЦрК-1, порошок тантала ТаПМ, сажа П804Т в соотношении Ta4ZrC5. Механическая активация проводилась в ПЦР АИР-0.015.

Для изучения фазового состава продуктов реакции применялся метод РФА с использованием монохроматического Cu K_α- излучения.

Компактные керамические образцы были получены методом силового СВС- компактирования.

Теплота сгорания активированной шихты исследовалась на быстродействующем калориметре БКС-1.

Микроструктура активированных смесей и продуктов реакции исследовалась на РЭМ S-3400N.

Экспериментальные результаты и их обсуждение.

В результате МА образуются агломераты размером 200-300 мкм. Их структура несколько различна в зависимости от времени и схемы активации. В случае совместной активации в течение 5, 10 и 15 минут образуются

Экспериментально показано, что взаимодействие в режиме горения в данной системе начинается при времени МА в 3 и более минут (рисунок 1). Смесь после МА в течение 3 минут в результате локального теплового инициирования сгорела в стационарном режиме. Смесь после 5 минут МА на первой стадии увеличения начальной температуры саморазогрелась до температуры выше 1000 К и процесс горения прошел в режиме теплового взрыва (таблица 1).

Таблица 1. Влияние времени МА и начальной температуры на параметры горения.

Рисунок 1 - Профиль волны горения в смеси Ta-Zr-C. Время МА 3 и 5 мин.

Результаты РФА зоны дореагирования показали присутствие 3 фаз: ~55% ТаС с параметром решетки 0,4455 нм; ~33% (Ta,Zr)C с параметром 0,4489 нм (соответствует 14,0% Zr в карбиде); 1-2% Та₂С. Из-за высокой скорости охлаждения образцов диффузионные процессы проходят в них не до конца. В то же время продукты синтеза, полученные силовым СВС- компактированием, были идентифицированы по результатам РФА (Рис. 2) как однофазный твердый раствор (Ta,Zr)C с параметром решетки 0,4479 нм (что соответствует 10-11% Zr в карбиде). Микроструктура компактного продукта приведена на Рис. 3.

Микротвердость однофазного карбида (Ta,Zr)C составила 15,1 ГПа.

Рисунок 2 – Рентгенограмма продукта синтеза МА смеси (время МА- 5 минут).

Рисунок 3 - Микроструктура сгоревшего образца Ta-Zr-C

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.

Выводы

1. Проведено изучение макрокинетических особенностей СВС в системе Ta-Zr-C. Установлено, что при времени МА шихты менее 3 минут СВС в системе инициировать невозможно. Определены зависимости скорости горения и температуры МА смесей от начальной температуры Т₀. Изучено явление саморазогрева МА смесей в атмосфере аргона при Т₀ > 380 К. Данное явление обусловлено окислением частиц циркония адсорбированным на их поверхности кислородом.

2. Проведено изучение динамики структурных превращений с помощью метода закалки волн горения. Установлено, что первоначально в зоне горения происходит образование простых карбидов TaC и ZrC, а ближе к зоне догорания появляется двойной карбид (Ta,Zr)C. Однофазный карбид (Ta,Zr)C с параметром решетки 0,4479 нм получен по технологии силового СВС – компактирования. Твердость данного карбида составила 15,1 ГПа.