Остання редакція: 2026-06-10
Тези доповіді
Високотемпературна кераміка є одним із найважливіших класів сучасних конструкційних матеріалів, здатних ефективно працювати в екстремальних умовах експлуатації. Значну увагу науковців привернув новий клас матеріалів – високоентропійна кераміка, унікальність якої полягає у використанні концепції ентропійної стабілізації твердих розчинів [1]. Особливо перспективними є високоентропійні силіциди, які демонструють виняткову жароміцність, підвищену твердість, термостабільність і стійкість до окислення [2].
Метою роботи є дослідження закономірностей ущільнення, формування мікроструктури, фазового складу та властивостей високоентропійних дисиліцидів перехідних металів складів (Mo, W, Ti, Cr, Nb)Si2 та (Ti, Mo, Cr, Nb, V)Si2 під час іскро-плазмового спікання (SPS) у температурному діапазоні 1000-1500 °C.
Методика досліджень. Об’єктом дослідження обрано порошкові високоентропійні силіциди систем (Mo, W, Ti, Cr, Nb)Si2 та (Ti, Mo, Cr, Nb, V)Si2. Консолідацію матеріалів здійснювали методом іскроплазмового спікання (SPS) у температурному діапазоні 1000-1500 °C із витримкою 10 хв [3]. Дослідження мікроструктури та елементного розподілу проводили за допомогою сканувальної електронної мікроскопії (SEM) з EDS-детектором, фазовий склад визначали методом рентгенівської дифракції (XRD).
Дослідження впливу умов спікання на відносну щільність. Температура спікання є ключовим параметром, що контролює швидкість дифузії та, відповідно, процес ущільнення дисиліцидів. У нижньому температурному інтервалі (1000-1100 °C) процес ущільнення перебігає повільно, відносна щільність не перевищує 70-80 % від теоретичної (рис. 1). При підвищенні температури до 1200-1300 °C швидкість ущільнення різко зростає, а відносна щільність матеріалу досягає 85-87 %. Для багатокомпонентної системи з вольфрамом ущільнення відбувається дещо повільніше через низьку дифузійну рухливість вольфрамом (W), тоді як у системі з ванадієм (V) спостерігається більш інтенсивне зростання щільності.
Рисунок 1. Зміна щільності (Mo, W, Ti, Cr, Nb)Si2 та (Ti, Mo, Cr, Nb, V)Si2 від температури спікання
Найвищий ступінь ущільнення (до 91-92 %) досягається за температур 1250-1400 °C. Подальше підвищення температури до 1450-1500 °C не сприяє ущільненню, а навпаки, призводить до незначного падіння щільності через інтенсивний ріст зерен та коалесценцію пор.
Дослідження мікроструктури. Температура спікання 1200 °C є недостатньою для досягнення однорідності, в структурі реєструвалася значна кількість пор (рис. 2, а). Спікання при 1500 °C дозволяє суттєво зменшити пористість та сформувати більш гомогенну (однорідну) мікроструктуру (рис. 2, б).
а б
Рисунок 2. Структура (Ti, Nb, Cr, V, Mo)Si2 кераміки після спікання за температури 1200 °C (а) та 1500 °C (б)
Для складу (Ti, Nb, Cr, V, Mo)Si2 після спікання за 1500 °C спостерігається більш рівномірне розподілення Ti в структурі (гомогенізація). Це зумовлено найвищою хімічною активністю титану до кремнію серед компонентів та його високим коефіцієнтом об’ємної і міжзеренної дифузії. Титан мігрує до енергетично вигідних ділянок (меж зерен, залишкових пор), що фіксується як зони його підвищеної концентрації (рис. 3).
Рисунок 3. Мікроструктура (Ti, Nb, Cr, V, Mo)Si2 після синтезу за 1500 °С методом іскро-плазмового спікання та мапи розподілу хімічних елементів
Дослідження фазового складу. Рентгенофазовий аналіз (рис. 4) свідчить про формування переважно однофазної кристалічної структури дисиліциду з гексагональною ґраткою типу CrSi2 (просторова група P6222).
Рисунок 4. Дифрактограми спеченої кераміки (Mo, W, Ti, Cr, Nb)Si2
та (Ti, Mo, Cr, Nb, V)Si2
Для складу (Ti, Mo, Cr, Nb, V)Si2 дифракційні максимуми мають дещо зменшену інтенсивність та помітніше уширення, що свідчить про високий рівень мікродеформацій ґратки, типовий для високоентропійних систем. Введення вольфраму у систему (Mo, W, Ti, Cr, Nb)Si2 призводить до часткової стабілізації кристалічної структури.
Механічні та теплові властивості. Високоентропійні силіциди демонструють значно вищу міцність на згин і твердість порівняно з бінарними дисиліцидами. Це зумовлено твердорозчинним зміцненням та ефектом високої ентропії, що створює бар’єри для руху дислокацій та розтріскування. Твердість (Mo, Nb, W, Ti, Cr)Si2 сягала 31,2 ГПа, а границя міцності на згин – 380 МПа.
Теплопровідність отриманих систем (8,25-9,35 Вт/м·К) майже на порядок нижча за теплопровідність бінарного MoSi2 (65 Вт/м·К) [4]. Це пояснюється інтенсивним фононним розсіянням через хімічний «безлад» у кристалічній решітці високоентропійного матеріалу.
Висновки. Використання іскро-плазмового спікання дозволяє отримувати високощільні однофазні високоентропійні керамічні матеріали на основі дисиліцидів з гексагональною ґраткою типу CrSi2. Отримані кераміки характеризуються високими фізико-механічними показниками та аномально низькою теплопровідністю, що робить їх перспективними для застосування в аерокосмічній галузі та енергетичному машинобудуванні як високотемпературних теплозахисних і конструкційних матеріалів.
Подяки. Робота виконана за фінансової підтримки Міністерства освіти та науки України (проєкт № 0126U001306).
Література:
1. Development and oxidation bahavior of high entropy silicide (NbMoTaWV)Si2 coatings on NbMoTaWV alloy [Електронний ресурс] / Guoming Yi, Yi Ding, Yanhai Chenget [та ін.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – P. 165384.
2. A review on high entropy silicides and silicates: Fundamental aspects, synthesis, properties [Електронний ресурс] / A. Salian, P. Sengupta, I. Aswath [та ін.] // International Journal of Applied Ceramic Technology. – 2023. – P. 30.
3. A high-entropy silicide: (Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2W0.2)Si2 [Електронний ресурс] / J. Gild, Y. Qin, J. Harrington [та ін.] // Journal of Materiomics. – 2019. – Vol. 5, №. 3. – P. 337–343.
4. Alloying behavior and thermal stability of mechanically alloyed nano AlCoCrFeNiTi high-entropy alloy – CORRIGENDUM [Електронний ресурс] / V. Shivam, R. S. Mishra, S. Suwas [та ін.] // Journal of Materials Research. – 2019. – Vol. 35, №. 2. – P. 215.