Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

Е. А. Башкиров, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий, эл. почта: bashkirov.ea@misis.ru
А. Ю. Потанин, старший научный сотрудник Научно-учебного центра СВС МИСиС – ИСМАН, канд. техн. наук
Ю. С. Погожев, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий, ведущий научный сотрудник Научно-учебного центра СВС МИСиС – ИСМАН, канд. техн. наук
Е. А. Левашов, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра СВС МИСиС – ИСМАН, докт. техн. наук, профессор, академик РАЕН

С помощью технологии силового СВС-компактирования получены компактные керамические материалы на основе MAB-фазы состава MoAlB. Изучено влияние избытка алюминия на параметры горения исследуемых смесей, а также на фазовый состав и структуру синтезированных образцов. Установлено, что повышенная остаточная пористость образцов связана со снижением фильтрационной способности газов, выделяющихся в волне горения, из-за их запирания в брикете из реакционной смеси слоями «химической печки», расположенными с обеих сторон брикета. В результате оптимизации режимов СВС-компактирования получена керамика с пористостью 9,6 % и содержанием целевой фазы MoAlB 97 % с орторомбической базоцентрированной кристаллической решеткой. Трехмерная структура имеет следующие параметры решетки: a = 0,3206 нм, b = 1,3929 нм и c = 0,3097 нм; объем элементарной ячейки — 0,138301 нм³. При этом существенного различия в периодах кристаллической решетки MAB-фазы при введении избытка Al не наблюдается. Промежуточными соединениями являются низкотемпературный тетрагональный боридMoB, интерметаллидMo3Al8с моноклинной сингонией, а также идентифицированная методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии фаза Al₂O₃. Травление структуры в растворе кислот (HNO₃ – HF – HCl) позволило установить, что керамикаMoAlB имеет ламинированную структуру с толщиной слоев 100–300 нм. Методом измерительного наноиндентирования получено, что MAB-фаза обладает твердостью 11,6 ГПа, модулем упругости 249,3 ГПа и упругим восстановлением 46 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 21-79-10103.
Авторы выражают признательность докт. техн. наук М. И. Петржику, канд. техн. наук А. В. Новикову и Н. В. Швындиной за помощь в исследовании образцов и обсуждении результатов.

1. Soboyejo W. O., Srivatsan T. S. Advanced structural materials: properties, design optimisation, and applications. New York : CRC Press, 2006. 492 p.
2. Pierson H. O. Handbook of refractory carbides & nitrides: properties, characteristics, processing and apps. Westwood : William Andrew, 1996. 362 p.
3. Gonzalez-Julian J. Processing of MAX phases: from synthesis to applications. Journal of the American Ceramic Society. 2020. Vol. 104, Iss. 2. pp. 659–690.
4. Zhang Z., Duan X., Jia D., Zhou Y. et al. On the formation mechanisms and properties of MAX phases: a review. Journal of the European Ceramic Society. 2021. Vol. 41, Iss. 7. pp. 3851–3878.
5. Barsoum M. W. The MN+1AXN phases: a new class of solids; thermodynamically stable nanolaminates. Progress in Solid State Chemistry. 2000. Vol. 28. pp. 201–281.
6. Lin Z., Zhou Y., Li M., Wang J. In-situ hot pressing/solid-liquid reaction synthesis of bulk Cr₂AlC. Zeitschrift fur Metallkunde. 2005. Vol. 96. pp. 291– 296.
7. Wang X. H., Zhou Y. C. High-temperature oxidation behavior of Ti₂AlC in air. Oxidation of Metals. 2003. Vol. 59. pp. 303–320.
8. Cui B., Jayaseelan D. D., Lee W. E. Microstructural evolution during hightemperature oxidation of Ti2 AlC ceramics. Acta Materialia. 2011. Vol. 59, Iss. 10. pp. 4116–4125.
9. Wang X. H., Zhou Y. C. Oxidation behavior of Ti3AlC2 at 1000–1400 ^oC in air. Corrosion Science. 2003. Vol. 45, Iss. 5. pp. 891–907.
10. Qian X. K., He X. D., Li Y. B., Sun Y. et al. Cyclic oxidation of Ti₃AlC₂ at 1000–1300 ^oC in air. Corrosion Science. 2011. Vol. 53, Iss. 1. pp. 290–295.
11. Lin Z. J., Li M. S., Wang J. Y., Zhou Y. C. High-temperature oxidation and hot corrosion of Cr₂AlC. Acta Materialia. 2007. Vol. 55, Iss. 18. pp. 6182–6191.
12. Dahlqvist M., Tao Q., Zhou J., Palisaitis J. et al. Theoretical prediction and synthesis of a family of atomic laminate metal borides with in-plane chemical ordering. Journal of the American Ceramic Society. 2020. Vol. 142, Iss. 43. pp. 18583–18591.
13. Kota S., Sokol M., Barsoum M. W. A progress report on the MAB phases: atomically laminated, ternary transition metal borides. International Materials Reviews. 2020. Vol. 65, No. 4. pp. 226–255.
14. Wang J., Ye T.-N., Gong Y., Wu J. et al. Discovery of hexagonal ternary phase Ti₂InB₂ and its evolution to layered boride TiB. Nature Communications. 2019. Vol. 10. p. 2284.
15. Su X., Dong J., Chu L., Sun H. et al. Synthesis, microstructure and properties of MoAlB ceramics prepared by in situ reactive spark plasma sintering. Ceramics International. 2020. Vol. 46, Iss. 10. pp. 15214–15221.
16. Kota S., Zapata-Solvas E., Ly A., Lu J. Synthesis and characterization of an alumina forming nanolaminated boride: MoAlB. Scientific Reports. 2016. Vol. 6. p. 26475.
17. Xu L., Shi O., Liu C. Synthesis, microstructure and properties of MoAlB ceramics. Ceramics International. 2018. Vol. 44, Iss. 11. pp. 13396–13401.
18. Shi O., Xu L., Jiang A ., Xu Q. et al. S ynthesis and o xidation resistance of MoAlB single crystals. Ceramics International. 2019. Vol. 45, Iss. 2. pp. 2446–2450.
19. Levashov E. A., Pogozhev Yu. S., Shtansky D. V., Petrzhik M. I. Selfpropagating high-temperature synthesis of ceramic materials based on the Mn + 1AXn phases in the Ti – Cr – Al – C system. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009. Vol. 50, No. 2. pp. 151–160.
20. Levashov E. A., Rogachev A. S., Kurbatkina V. V., Maksimov Yu. M. et al. Innovative materials and the technology of self-propagating high-temperature synthesis: Learner’s guide. Moscow : Izdatelskiy dom “MISIS”, 2011. 377 p.
21. Borovinskaya I., Gromov A., Levashov E., Maksimov Yu. et al. Concise encyclopedia of combustion synthesis: history, theory, technology, and products. Amsterdam : Elsevier, 2017. 466 p.
22. Levashov E. A., Pogozhev Yu. S., Kurbatkina V. V. Advanced ceramic target materials produced by self-propagating high-temperature synthesis for deposition of functional nanostructured coatings. Advances in Ceramics Synthesis and Characterization, Processing and Specific Application. Rijeka : InTech, 2011. pp. 2–48.
23. Potanin A. Yu., Loginov P. A., Levashov E. A., Pogozhev Yu. S. et al. Effect of mechanical activation on Ti₃AlC₂ max phase formation under self-propagating high-temperature synthesis. Eurasian Chemico-Technological Journal. 2015. Vol. 17. pp. 233–242.
24. Gorshkov V. A., Miloserdov P. A., Sachkova N. V., Luginina M. A. et al. SHS metallurgy of Cr₂AlC MAX phase-based cast materials. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59, Iss. 5. pp. 570–575.
25. Gorshkov V. A., Miloserdov P. A., Khomenko N. Y., Miloserdova O. M. High-temperature synthesis of composite materials based on (Cr, Mn, V)–Al–C MAX phases. Ceramics International. 2021. Vol. 47, Iss. 18. pp. 25821–25825.
26. Gorshkov V. A., Miloserdov P. A., Karpov A. V., Shchukin A. S. et al. Investigation of the composition and properties of a Cr₂AlC MAX phase-based material prepared by metallothermic SHS. Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120, No. 5. pp. 471–475.
27. Bazhin P. M., Stolin A. M. SHS extrusion of materials based on the Ti – Al – C MAX phase. Doklady Chemistry. 2011. Vol. 439. pp. 237–239.
28. Stolin A. M., Bazhin P. M., Averichev O. A., Alymov M. I. et al. Electrode materials based on a Ti–Al–C MAX phase. Inorganic Materials. 2016. Vol. 52, Iss. 10. pp. 998–1001.
29. Pazniak A., Bazhin P., Shchetinin I., Kolesnikov E. et al. Dense Ti₃AlC₂ based materials obtained by SHS-extrusion and compression methods. Ceramics International. 2019. Vol. 45, Iss. 2. pp. 2020–2027.
30. Potanin A. Yu., Bashkirov E. A., Pogozhev Yu. S., Kovalev D. Yu. et al. Self-propagating high-temperature synthesis of MoAlB-base boride ceramics. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalnye pokrytiya. 2022. No. 2. pp. 38-51.
31. Kota S., Agne M., Zapata-Solvas E., Dezellus O. et al. Elastic properties, thermal stability, and thermodynamic parameters of MoAlB. Physical Review B. 2017. Vol. 95. p. 144108.
32. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation
experiments. Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7, Iss. 6. pp. 1564–1583.
33. Wang S., Xu Y., Yu Z., Tan H. et al. Synthesis, microstructure and mechanical properties of a MoAlB ceramic prepared by spark plasma sintering from elemental powders. Ceramics International. 2019. Vol. 45, Iss. 17. pp. 23515–23521.
34. Okada S., Kudou K., Shishido T. Synthesis and some properties of molybdenum diboride MoB2. Pacific Science Review. 2011. Vol. 11. pp. 164–171.
35. Barsoum M., Radovic M. Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annual Review of Materials Research. 2011. Vol. 41, Iss. 1. pp. 195–227.
36. Shtansky D. V., Kiryukhantsev-Korneev Ph. V., Sheveyko A. N., Mavrin B. N. et al. Compa rative investigation of TiAlC(N), TiCAlC(N), and CrAlC(N) coatings deposited by sputtering of МАХ-phase Ti_2–хCr_хAlC targets. Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203, Iss. 23. pp. 3595–3609.
37. Zamulaeva E. I., Levashov E. A., Skryleva E. A., Sviridova T. A. et al. Conditions for formation of MAX phase Cr₂AlC in electrospark coatings deposited onto titanium alloy. Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 298. pp. 15–23.