Способ получения высокоэнтропийного карбида в ионном расплаве


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Карбиды тугоплавких металлов TiC, ZrC, HfC, NbC и TaC обладают превосходными физическими, химическими и механическими свойствами в качестве материалов для ультравысокотемпературной керамики. Из них наиболее тугоплавкими являются TaC и HfC, температуры плавления которых приближаются к 4000°C. Нельзя не отметить высокую твердость, прочность и износостойкость тугоплавких карбидов. Отсюда вытекает закономерный интерес к высокоэнтропийным карбидам на их основе, которые становятся важным классом новых керамических материалов, поскольку потенциально обладают более совершенными прикладными свойствами. Однако получение таких материалов классическими металлургическими методами является сложной задачей. В современных исследованиях чаще всего образцы высокоэнтропийных карбидов синтезируют, используя дорогостоящее специальное оборудование (методы плазменно-искрового спекания, высокоэнергетические планетарные мельницы и т.п.) и сравнительно длительную подготовку прекурсоров к производству образцов. В настоящей работе описывается новый подход к синтезу многокомпонентного карбида состава (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)C с помощью электрохимического процесса при температуре, не превышающей 1173 K. Метод основан на явлении бестокового переноса металлов в расплавах солей. После проведения последовательного переноса металлов образец отмывался от электролита, затем спекался в вакуумной печи. По данным рентгенофазового анализа полученный высокоэнтропийный карбид представляет собой однофазный твердый раствор с ГЦК структурой. Дифрактограмма синтезированного образца имеет хорошее согласие с расчетной дифрактограммой, полученной по формуле Дебая для суперячейки из 64000 атомов. Компактный образец высокоэнтропийного карбида изготавливался прессованием в пресс-форме таблетки диаметром 10 мм с добавлением кобальта в качестве матричного металла. После вакуумного спекания образец подвергался шлифовке для подготовки к исследованию на сканирующем электронном микроскопе. Было выполнено элементное картирование поверхности образца, которое показало удовлетворительное распределение металлов, входящих в состав высокоэнтропийного карбида. Измеренная микротвердость образца оказалась меньше, чем встречающиеся значения в публикациях других авторов, что может быть связано с некоторой остаточной пористостью образца.

Об авторах

А. В. Вараксин

Институт металлургии УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vorax@yandex.ru
Россия, Екатеринбург

С. А. Петрова

Институт металлургии УрО РАН

Email: vorax@yandex.ru
Россия, Екатеринбург

А. А. Ремпель

Институт металлургии УрО РАН

Email: vorax@yandex.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Braic M., Braic V., Balaceanu M., Zoita C., Vladescu A., Grigore E. // Surf. Coat. Technol. 2010. 204. P. 2010–2014. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.10.049
  2. Csanádi T., Vojtko M., Dankházi Z., Reece M.J., Dusza J. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. 40. P. 4774–4782. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.023
  3. He Y., Peng C., Xin S., Li K., Liang S., Lu X., Kang N., Xue H., Shen X., Shen T. // J. Mater. Sci. 2020. 55. P. 6754–6760. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04471-3
  4. Du B., Liu H., Chu Y. // J. Am. Ceram. Soc. 2020. 103. P. 4063–4068. https://doi.org/10.1111/jace.17134
  5. Zhang G.J., Deng Z.Y., Kondo N., Yang J.F., Ohji T. // J. Am. Ceram. Soc. 2000. 83. P. 2330–2338. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02507.x
  6. Gasch M., Ellerby D., Irby E., Beckman S., Gusman M., Johnson S. // J. Mater. Sci. 2004. 39. P. 5925–5937. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000041689.90456.af
  7. Sani E., Mercatelli L., Fontani D., Sans J.L., Sciti D. // J. Renew. Sustain. Energy. 2011. 3. 063107. https://doi.org/10.1063/1.3662099
  8. Liu J.X., Kan Y.M., Zhang G.J. // J. Am. Ceram. Soc. 2010. 93. P. 370–373. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03437.x
  9. Zhang H., Hedman D., Feng P., Han G., Akhtar F. // Dalton Trans. 2019. 48. P. 5161–5167. https://doi.org/10.1039/C8DT04555K
  10. Wang K., Chen L., Xu C., Zhang W., Liu Z., Wang Y., Ouyang J., Zhang X., Fu Y., Zhou Y. // J. Mater. Sci. Technol. 2020. 39. P. 99–105. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.07.056
  11. Liu D., Gao Y., Liu J., Li K., Liu F., Wang Y., An L. // J. Eur. Ceram. Soc. 2016. 36. P. 2051–2055. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.02.014
  12. Becher P.F., Wei G.C. // J. Am. Ceram. Soc. 1984. 67. P. C-267–C-269. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1984.tb19694.x
  13. Chamberlain A.L., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Ellerby D.T. // J. Am. Ceram. Soc. 2004. 87. P. 1170–1172. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2004.01170.x
  14. Sarker P., Harrington T., Toher C., Oses C., Samiee M., Maria J.P., Brenner D.W., Vecchio K.S., Curtarolo S. // Nat. commun. 2018. 9. P. 4980. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07160-7
  15. Harrington T.J., Gild J., Sarker P., Toher C., Rost C.M., Dippo O.F., McElfresh C., Kaufmann K., Marin E., Borowski L., Hopkins P.E., Luo J., Curtarolo S., Brenner D.W., Vecchio K.S. // Acta Mater. 2019. 166. P. 271–280. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.054
  16. Yan X., Constantin L., Lu Y., Silvain J.F., Nastasi M., Cui B. // J. Am. Ceram. Soc. 2018. 101. P. 4486–4491. https://doi.org/10.1111/jace.15779
  17. Wei X.F., Liu J.X., Li F., Qin Y., Liang Y.C., Zhang G.J. // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. 39. P. 2989–2994. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.04.006
  18. Castle E., Csanádi T., Grasso S., Dusza J., Reece M. // Sci. Rep. 2018. 8. P. 8609. https://doi.org/10.1038/s41598-018-26827-1
  19. Demirskyi D., Borodianska H., Suzuki T.S., Sakka Y., Yoshimi K., Vasylkiv O. // Scr. Mater. 2019. 164. P. 12–16. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.01.024
  20. Ye B., Chu Y., Huang K., Liu D. // J. Am. Ceram. Soc. 2019. 102. P. 919–923. https://doi.org/10.1111/jace.16141
  21. Malinovskis P., Fritze S., Riekehr L., von Fieandt L., Cedervall J., Rehnlund D., Nyholm L., Lewin E., Jansson U. // Materi. Des. 2018. 149. P. 51–62. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.03.068
  22. Braic V., Vladescu A., Balaceanu M., Luculescu C.R., Braic M. // Surf. Coat. Technol. 2012. 211. P. 117–121. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.09.033
  23. Ye B., Wen T., Huang K., Wang C.Z., Chu Y. // J. Am. Ceram. Soc. 2019. 102. P. 4344–4352. https://doi.org/10.1111/jace.16295
  24. Braic V., Balaceanu M., Braic M., Vladescu A., Panseri S., Russo A. // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2012. 10. P. 197–205. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.02.020
  25. Yang Y., Wang W., Gan G.Y., Shi X.F., Tang B.Y. // Physica B Condens. Matter. 2018. 550. P. 163–170. https://doi.org/10.1016/j.physb.2018.09.014
  26. Zhang Q., Zhang J., Li N., Chen W. // J. Appl. Phys. 2019. 126. 025101. https://doi.org/10.1063/1.5094580
  27. Chicardi E., García-Garrido C., Gotor F.J. // Ceram. Int. 2019. 45. P. 21858–21863. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.195
  28. Chicardi E., García-Garrido C., Hernández-Saz J., Gotor F.J. // Ceram. Int. 2020. 46. P. 21 421–21 430. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.05.240
  29. Ye B., Wen T., Liu D., Chu Y. // Corros. Sci. 2019. 153. P. 327–332. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.04.001
  30. Ye B., Wen T., Chu Y. // J. Am. Ceram. Soc. 2020. 103. P. 500–507. https://doi.org/10.1111/jace.16725
  31. Grasso S., Saunders T., Porwal H., Milsom B., Tudball A., Reece M. // J. Am. Ceram. Soc. 2016. 99. P. 1534–1543. https://doi.org/10.1111/jace.14158
  32. Gild J., Kaufmann K., Vecchio K., Luo J. // Scr. Mater. 2019. 170. P. 106–110. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.05.039
  33. Feng L., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Zhou Y. // Scripta Materialia. 2019. 162. P. 90–93. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.10.049
  34. Илющенко Н.Г., Анфиногенов А.И., Шуров Н.И. Взаимодействие металлов в ионных расплавах. М.: Наука, 1991.
  35. Смирнов М.В. Электродные потенциалы в расплавленных хлоридах. М.: Наука, 1973.
  36. Барабошкин А.Н. Электрокристаллизация металлов из расплавленных солей. М.: Наука, 1976.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (75KB)
Метаданные
3.

Скачать (137KB)
Метаданные
4.

Скачать (1MB)
Метаданные
5.

Скачать (1MB)
Метаданные

© А.В. Вараксин, С.А. Петрова, А.А. Ремпель, 2023