Микроструктурное исследование и наноиндентирование TaN с включением ZrB2 и ZrB2.

Aug 24, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13765 (2022) Цитировать эту статью

731 Доступов

Подробности о метриках

В этом исследовании оценивались спекаемость и микроструктура керамики ZrB2-SiC-TaN и ZrB2-TaN. Обе керамики были получены искровым плазменным спеканием при 2000 °С и давлении 30 МПа в течение 5 мин. Относительная плотность керамики ZrB2, содержащей TaN, составила 95,3%; добавление SiC увеличило это значение до 98,1%. Вклад SiC в устранение поверхностных оксидов ZrB2 был основным фактором в ускорении уплотнения. Образование in situ гексагонального нитрида бора на границе раздела TaN и ZrB2 подтверждено методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, автоэлектронно-зондового микроанализатора, рентгеновской дифрактометрии и автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии. Более того, графит in situ может быть получен как побочный продукт процесса SiC-SiO2, что приведет к ускорению восстановления оксидных соединений в тройной системе. Соединение SiC имело наибольшую твердость (29 ± 3 ГПа), а граница раздела ZrB2/TaN имела наибольшие значения модуля упругости (473 ± 26 ГПа) и жесткости (0,76 ± 0,13 мН/нм).

Сочетание бора или углерода с переходным металлом четвертой или пятой группы таблицы Менделеева дает категорию веществ, известную как сверхвысокотемпературная керамика (СВТК) с высокой температурой плавления (> 3000 °C)1,2,3, 4. Среди UHTC ZrB2 обладает рядом интересных свойств, включая выдающуюся твердость, высокий модуль упругости и превосходную термическую и химическую стабильность5,6,7,8. Его особые качества делают его подходящим материалом для изготовления тиглей, брони, теплозащитных экранов, передних кромок, лопаток турбин и других применений9,10,11,12. Кроме того, высокая электропроводность ZrB2 делает его подходящим материалом для производства электроразрядных устройств и электродов13,14. Однако ZrB2 демонстрирует плохую спекаемость из-за его сильных ковалентных связей и низкой самодиффузии. В частности, низкая стойкость к окислению при повышенных температурах и низкая вязкость разрушения ограничивают использование нелегированных композитов ZrB215,16,17. В ряде исследований были предприняты попытки преодолеть вышеупомянутые ограничения путем использования передовых технологий спекания для производства композитов ZrB2 и/или интеграции соответствующих спекающих добавок в композиты ZrB2. Что касается производственного процесса, исследователи показали, что использование передовых методов спекания (таких как искрово-плазменное спекание (SPS)) может улучшить характеристики уплотнения и механические свойства керамики на основе ZrB2 по сравнению с типичным методом порошковой металлургии18,19. , 20. Во время процедуры спекания в процессе SPS к частицам порошка применяется внешнее давление и искрообразование, что значительно снижает температуру спекания и время пребывания21,22,23. Что касается вторичных фаз, было исследовано влияние различных металлических связующих и добавок на качество композитов ZrB224. Нгуен и его коллеги оценили влияние температуры спекания на поведение консолидации керамики ZrB2-SiC25. Они включили 30 об.% SiC в матрицу ZrB2; спекание образцов под давлением 10 МПа в течение 60 мин при трех различных температурах спекания (2050, 1850 и 1650 °С) методом горячего прессования. Они продемонстрировали, что фрагментация и перегруппировка частиц были двумя важными путями механизма уплотнения при 1650 ° C, но диффузия была, пожалуй, самым важным путем механизма при 2050 ° C. Кроме того, пластическая деформация была определена как преобладающий процесс консолидации при 1850 °С. В результате при температуре спекания 2050 °C был получен почти полностью плотный образец; значение его относительной плотности было на ~8% процентов больше плотности образца, полученного при 1650 °С. Микроструктурные исследования высокого разрешения и рентгеновский дифрактометрический анализ (XRD) подтвердили инертность ZrB2-SiC в применяемых условиях спекания. Ву и др.26 получили керамику ZrB2-SiC-BN с помощью реактивного ИПС из исходного состава B4C, Si3N4 и ZrB2. Оценки с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) продемонстрировали образование нано- и микроразмерного межзеренного гексагонального нитрида бора (hBN) в процессе SPS. Хотя влияние hBN на средний размер зерна SiC было незначительным, повышенное количество hBN могло значительно улучшить матрицу конечных образцов. Нгуен и др.27 приготовили керамику ZrB2-SiC-AlN, используя технику горячего прессования при давлении 10 МПа и 1900 °C в течение 120 мин; Свойства изделий анализировались с точки зрения поведения при спекании и микроструктурных особенностей. AlN оказал значительное влияние на поведение приготовленных образцов при уплотнении, в результате чего керамика стала почти полностью плотной. Термодинамический анализ, результаты XRD и микроструктурные изображения подтверждают получение графита на месте во время горячего прессования. Кроме того, зерна, как правило, были фрагментированы трансгранулярно в соответствии с поверхностями излома композитов, что указывает на прочную связь составляющих частиц. Ахмади и его коллеги28 исследовали композиты ZrB2-SiC, содержащие различное количество Si3N4. Они использовали горячее прессование в качестве процедуры спекания при 1900 °C для получения полностью плотных образцов. Реакция между поверхностным оксидом Si3N4 и B2O3 привела к образованию hBN. Кроме того, в реакции участвовали углерод ZrB2 и Si3N4, образовавшиеся в ходе пиролиза добавки фенольной смолы, что привело к образованию in situ компонентов ZrC и hBN.