Самораспространяющийся высокотемпературный синтез ультратугоплавких карбидных керамик на основе систем Ta-Hf-C и Ti-Zr-C

Работа посвящена разработке и исследованию новых ультратугоплавких карбидных керамик на основе твердых растворов Ti-Zr-C и Ta-Hf-C, полученных с использованием комбинированных методов синтеза и уплотнения. Автором выполнен большой объем экспериментальных исследований, в результате которых разработан комплексный подход к получению высокоплотных карбидных керамик, включающий механическую активацию реакционных смесей (0,55Ti+0,45Zr+C) и (4Ta+Hf+5C), СВС-компактирование, а также электротепловой взрыв под давлением. Впервые установлено влияние длительности механической активации на параметры электротеплового взрыва под давлением, фазовый состав, микроструктуру и физико-механические свойства керамик Ti1-xZrxC и Ta4HfC5. Показано, что баротермическое уплотнение в газостате керамики Ti1-xZrxC, синтезированной методом СВС-компактирования, позволяет достичь плотности 99,2 %, твердости по Виккерсу 20,9 ГПа и коэффициента трещиностойкости 12,53 МПа·м1/2. Впервые выявлен механизм спинодального фазоразделения в карбиде Ti1-xZrxC: при выдержке при 1600 °C в течение 150 мин происходит распад высокотемпературной фазы Ti0.51Zr0.49C на вторичные фазы Ti0.92Zr0.08C и Zr0.85Ti0.15C с формированием субмикронной структуры. Исследовано поведение порошка Ta4HfC5 в потоке высокотемпературной аргоновой плазмы (до 10000 °C): установлено, что при плазменной обработке изменяется морфология частиц, формируется новая фаза Ta0.93Hf0.07C, а оптимальная дисперсность исходного порошка для получения сферических частиц составляет 20–50 мкм. Впервые получена ультратугоплавкая керамика Ta4HfC5 с субмикронной структурой и микротвердостью 14,5 ГПа методом электротеплового взрыва под давлением. Установлены закономерности влияния технологических режимов синтеза и уплотнения на структурно-фазовое состояние и свойства материалов, выявлены термодинамические и кинетические особенности взаимодействия карбидных порошков с высокотемпературной аргоновой плазмой. Показана принципиальная возможность получения сферических частиц карбида Ta0.93Hf0.07C методом плазменной сфероидизации при температуре 10000 °C, пригодных для применения в аддитивных технологиях. Разработан и запатентован новый способ получения тугоплавкого материала на основе системы Ti-Zr-C с субмикронной структурой и остаточной пористостью менее 1 % (патент РФ № 2816713 от 13.06.2023). Изготовлена опытная партия образцов керамики Ti1-xZrxC с рекордными для данного класса материалов показателями плотности, твердости и трещиностойкости.