Ведель Д.В., Степанчук А.М.

ТЕРМОДИНАМІЧНІ ЗАСАДИ СТВОРЕННЯ КОНСТРУКЦІЙНОЇ

КЕРАМІКИ НА ОСНОВІ СПОЛУК ДЕЯКИХ ПЕРЕХІДНИХ МЕТАЛІВ

НТУУ, ”КПІ”, м. Київ, 030056,

Наразі однією із важливих  проблем енергетики та аерокосмічної техніки  є забезпечення надійних службових характеристик матеріалів, елементів їх конструкцій, які працюють при високих температурах – лопаток турбін, сопел ракет, камер згорання та іншого. Перспективними матеріалами для їх виготовлення можуть бути різні види конструкційної кераміка на основі тугоплавких сполук перехідних металів IVа-VIа групи з неметалами: карбіди, нітриди, силіциди, бориди [1]. Серед них особливе місце займає борид цирконію [2], підвищити стійкість якого до окиснення можливо за рахунок легування SiC, MoSi₂, CrB₂, TaSi₂ [3]. Останні, окислюючись, можуть утворювати оксиди, які взаємодіють з оксидом цирконію і утворюють складні склоподібні оксидні фази, які будуть блокувати проникнення кисню всередину матеріалу, і тим самим, захищати його від подальшого окиснення.

Для виявлення вірогідності проходження таких процесів, нами в роботі були проведені термодинамічні розрахунки енергії Гібса, за формулою             , де   , ,        – зміна вільної енергії Гібса, ентальпії та ентропії відповідно; T – температура.

Були визначені температурні залежності ентальпії, ентропії та розрахована енергія Гібса залежно від температури для вірогідних реакцій окиснення деяких тугоплавких сполук відповідно до реакцій:

2ZrB₂ + 3O₂ = 2ZrO₂ + 2B₂O₃ (1),   4CrB₂ + 9O₂ = 2Cr₂O₃ + 4B₂O₃ (2),

2SiC + 3O₂ =2SiO₂ + 2CO (3), 2MoSi₂ + 7O₂ = 2MoO₃ + 4SiO₂ (4)

4TaSi₂ + 13O₂ = 2Ta₂O₅ + 8SiO₂ (5).

Отримані температурні залежності енергії Гібса наведені на рисунку.                                       Аналіз отриманих результатів показує, що всі розглянуті тугоплавкі сполуки в даних  умовах окислюються. При цьому їх стійкість до окиснення збільшується в ряду: TaSi₂, CrB₂, MoSi₂, ZrB₂,  SiC. Враховуючи це, можна стверджувати, що легування ZrB₂ цими сполуками, особливо MoSi₂, SiC [4] і CrB₂[5] можуть підвищувати стійкість до окислення матриці на його основі. 

Також ці матеріали можна використовувати в якості добавок, які інтенсифікують процеси ущільнення за рахунок утворення рідкої фази.

Література

1. Степанчук А.Н., Билык И.И., Бойко П.А. Технология порошковой металлургии. – К: Выща шк., 1989. – 415 с.

2. Matthew J. Gasch Ultra High Temperature Ceramic Composites/ Matthew J. Gasch Donald T. Ellerby, Sylvia M. Johnson// Handbook of Ceramic Composites – 2006. – Р. 197–223.

3. Inna G. Talmy High-Temperature Chemistry and Oxidation of ZrB₂ Ceramics Containing SiC, Si₃N₄, Ta₅Si₃, and TaSi₂ /Inna G. Talmy,w James A. Zaykoski, and Mark M. Opeka//The American Ceramic Society –2008. – V.91. – P. 2250–2257.

4. Особенности процесса высокотемпературного окисления на воздухе керамических материалов системы ZrB₂–MoSi₂ /В.О. Лавренко, А.Д. Панасюк, О.М. Григор’єв, О.В. Коротеєв, В.А. Котенко //Порошковая металлургия – 2012. – №1/2. – С. 131–136.

5. Jerebtsov D.A. Phase diagram of the system: ZrO₂–Cr₂O₃/ D.A. Jerebtsov, G.G. Mikhailov, S.V. Sverdina //Ceramics International – 2001.­ – V.27.­– P. 247–250.