Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия

С. Воротыло, аспирант кафедры «Порошковая металлургия и функциональные покрытия», эл. почта: s.vorotilo@misis.ru
Ю. С. Погожев, старший научный сотрудник НУЦ СВС, эл. почта: yspogozhev@mail.ru
А. Ю. Потанин, научный сотрудник НУЦ СВС, эл. почта: a.potanin@inbox.ru

В работе изучены макрокинетические особенности процесса горения смеси Mo – Hf – Si – B, механизмы структуро- и фазообразования в волне горения, а также структура и свойства продуктов горения. Показано, что при нагреве смеси выше 150 ^oC происходит ее саморазогрев. При Т₀ = 25 ^oC температура горения Т_г = 2050 ^oC, а скорость горения U_г = 22 мм/с. Однако с ростом Т0 до 230 ^oC в результате частичного окисления компонентов (молибдена и бора), приводящего к саморазогреву, после зажигания температура горения смеси составляет 1770 ^oC, а скорость горения — 14,5 мм/с. При дальнейшем увеличении Т₀ происходит линейный рост Т_г и U_г. Методом динамического рентгенофазового анализа изучена стадийность структурно-фазовых превращений в волне горения смеси Mo – Hf – Si – B. Первоначально в зоне прогрева происходит образование борида гафния HfB₂ по механизму твердофазного взаимодействия с участием газотранспортной реакции. В зоне горения происходит плавление кремния, растекание его по поверхности частиц Mo, Hf и B с растворением бора. Затем по механизму реакционной диффузии кремния в молибден на границе раздела молибдена с расплавом формируются зерна MoSi₂, а в результате диффузии молибдена и гафния в расплав — зерна борида молибдена и гафния. В зоне вторичного структурообразования формируется равновесная структура в виде зерен MoSi₂ размером до 15 мкм, окруженных прослойками MoB размером до 2–4 мкм и игольчатых зерен HfB₂ размером 0,5–1 мкм. Методом горячего прессования СВС-порошка получен иерархически организованный керамический материал состава MoSi₂ – MoB – HfB₂ с повышенной твердостью HV₁₀ до 17,6 ГПа и пористостью менее 1 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», соглашение о предоставлении субсидии № 14.578.21.0227 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57817X0227).

1. Cotton J. Ultra-High-Temperature Ceramics // Adv. Mater. Processes. 2010. Vol. 168. P. 26–28.
2. Taleghani P. R., Bakhshi S. R., Erfanmanesh M., Borhani G. H., Vafaei R. Improvement of MoSi₂ oxidation resistance via boron addition: Fabrication of MoB/MoSi₂ composite by mechanical alloying and subsequent reactive sintering // Powder Technology. 2014. Vol. 254. P. 241–247.
3. Aikin R. M. Jr. Strengthening of discontinuously reinforced MoSi2 composites at high temperatures // Materials Science and Engineering: A. 1992. Vol. 155, Iss. 1–2. P. 121–133.
4. Sciti D., Silvestroni L., Mercatelli L., Sans J.-L., Sani E. Suitability of ultra-refractory diboride ceramics as absorbers for solar energy applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2013. Vol. 109. P. 8–16.
5. Cook J., Khan A., Lee E., Mahapatra R. Oxidation of MoSi₂-based composites // Materials Science and Engineering: A. 1992. Vol. 155, Iss. 1–2. P. 183–198.
6. Sciti D., Silvestroni L., Nygren M. Spark plasma sintering of Zr- and Hf-borides with decreasing amounts of MoSi₂ as sintering aid // Journal of the European Ceramic Society. 2008. Vol. 28, Iss. 6. P. 1287–1296.
7. Potanin A. Yu., Pogozhev Yu. S., Levashov E. A., Novikov A. V., Shvindina N. V., Sviridova T. A. Kinetics and oxidation mechanism of MoSi₂–MoB ceramics in the 600–1200 ^oC temperature range // Ceramics International. 2017. Vol. 43, Iss. 13. P. 10478–10486.
8. Li Z. K., Yu J. L., Zheng X., Zhang J. J., Liu H., Bai R., Wang H., Wang D. H., Wang W. S. Superplasticity of a multiphase fine-grained Mo – Si – B alloy // Powder Technology. 2011. Vol. 214, Iss. 1. P. 54–56.
9. Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Talmy I. G., Zaykoski J. A. Refractory diborides of zirconium and hafnium // J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90, Iss. 5. P. 1347–1364.
10. Low I. M., Sakka Y., Hu C. F. MAX phases and ultra-high temperature ceramics for extreme environments. — Hershey, Pennsylvania : IGI Global, 2013. — 649 p.
11. Concise Encyclopedia of Combustion Synthesis: History, Theory, Technology, and Products / eds. I. Borovinskaya, A. Gromov, E. Levashov, Yu. Maksimov, A. Mukasyan, A. Rogachev. — Amsterdam : Elsevier, 2017. — 466 p.
12. Левашов Е. А., Погожев Ю. С., Потанин А. Ю., Кочетов Н. А., Ковалев Д. Ю., Швындина Н. В ., Свиридова Т. А., Тимофеев А. Н. Особенности горения в системе Mo – Si – B. Часть 1. Механизм и кинетика // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 4. C. 19–31.
13. Пономарев В. И., Хоменко И. О., Мержанов А. Г. Лабораторный метод динамической рентгенографии // Кристаллография. 1995. Т. 40, № 1. C. 14–17.
14. Курбаткина В. В., Левашов Е. А., Пацера Е. И., Кочетов Н. А., Рогачев А. С. Исследование макрокинетических характеристик процессов горения предварительно механически активированных реакционных смесей Cr – B и Ti – Cr – B // Химия в интересах устойчивого развития. 2009. Т. 17, № 6. C. 611–619.
15. Kurbatkina V. V., Patsera E. I., Levashov E. A., Timofeev A. N. Self-propagating high-temperature synthesis of refractory boride ceramics (Zr,Ta)B2 with superior properties // Journal of the European Ceramic Society. 2018. Vol. 38, Iss. 4. P. 1118–1127.
16. Еремина Е. Н., Курбаткина В. В., Левашов Е. А., Рогачев А. С., Кочетов Н. А. Получение композиционного материала МоВ методом силового СВC-компактирования с применением предварительного механического активирования исходной смеси Мо – 10 % В // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. Т. 13, № 2. С. 197–204.
17. Некрашевич С. С., Гриценко В. А. Электронная структура оксида кремния // Физика твердого тела. 2014. Т. 56, № 2. С. 209–223.
18. Sciti D., Balbo A., Bellosi A. Oxidation behaviour of a pressureless sintered HfB₂ – MoSi₂ composite // Journal of the European Ceramic Society. 2009. Vol. 29. P. 1809–1815.
19. Zhu G., Wang X., Feng P., Liu Z., Niu J., Akhtar F. Synthesis and Properties of MoSi₂ – MoB – SiC Ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2016. Vol. 99, Iss. 4. P. 1147–1150.
20. Jiang Z., Zhu G., Feng P., Akhtar F. In situ fabrication and properties of 0.4MoB – 0.1SiC – xMoSi₂ composites by selfpropagating synthesis and hot-press sintering // Ceramics International. 2018. Vol. 44. P. 51–56.
21. Астапов А. Н., Терентьева В. С. Обзор отечественных разработок в области защиты углеродсодержащих материалов от газовой коррозии и эрозии в скоростных потоках плазмы // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 4. С. 50–70.
22. Терентьева В. С., Астапов А. Н. Концептуальная модель защиты особожаропрочных материалов в гиперзвуковых потоках окислительного газа // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. № 3. С. 51–64.
23. Kiryukhantsev-Korneev Ph. V., Iatsyuk I. V., Shvindina N. V., Levashov E. A., Shtansky D. V. Comparative investigation of structure, mechanical properties, and oxidation resistance of Mo – Si – B and Mo – Al – Si – B coatings // Corrosion Science. 2017. Vol. 123. P. 319–327.