Высокотемпературный синтез оксидной и оксинитридной керамики методами СВС – металлургии

Проведены фундаментальные исследования по разработке научных основ высокотемпературного синтеза новых керамических материалов на основе литых тугоплавких оксидных и оксинитридных растворов для создания прозрачной высокотвердой и прочной керамики. Исследованы закономерности и механизм высокотемпературного синтеза в высококалорийных системах термитного типа, процессы тепло- и массообмена в процессе горения и в пост-процессах формирования состава и микроструктуры литой оксидной и оксинитридной керамики из жидкофазных продуктов горения. Разработаны варианты высокотемпературного синтеза, позволяющие регулировать в широких пределах соотношения между структурными составляющими оксидных и оксинитридных материалов. Изучено влияние геометрических параметров (масштабного фактора) на процесс синтеза, состав и структуру литой оксидной и оксинитридной керамики. Определены закономерности горения исходных масс смесей (от 20 до 3000 г). Показано, что с увеличением массы смеси формируются более однородные микроструктура, химический и фазовый состав, а также уменьшается содержание «металловидной» фазы в целевых оксидных продуктах. Проведено качественное моделирование процесса синтеза целевых продуктов на этапах горения и фазоразделения. Предложены режимы передела слитков целевых продуктов в порошки определенных фракций. Выявлены наиболее важные параметры, влияющие на процесс измельчения, и показано, что методом химико-термической обработки порошков можно улучшать их химический и фазовый состав. Проведены исследования (совместно с ООО «Вириал», г. Санкт-Петербург) по спеканию резцов из порошков литых Al₂O₃/Cr₂O₃ и Al₅O₆N. Показано, что наилучшими свойствами на уровне с импортного аналога ISKARIN23 обладают резцы, изготовленные из порошков Al₂O₃/Cr₂O₃ = 95/5. Проведены исследования по нанесению защитных покрытий (совместно с ООО «Технологические покрытия», г. Самара) из литых порошков Al₂O₃/Cr₂O₃ = 95/5 на стальные пластины. Изучены микроструктура, элементный состав и свойства покрытий. Получены экспериментальные результаты, важные как для научного, так и для практического использования в области материаловедения. Разработаны основы научного подхода к синтезу методом СВС-металлургии литых оксидных и оксинитридных материалов. Получены оценки, связывающие параметры процесса горения с исходными технологическими параметрами. Изучена динамика изменения давления в реакторе в зависимости от соотношения объемов шихты и реактора СВС-20 на примере горения исходной смеси Fe₂O₃/2Al/AlN. Показано, что увеличение объема исходной смеси приводит к линейному росту давления в реакторе за счет уменьшения рабочего объема реактора и увеличения количества выделившегося тепла. Исследования динамики изменения температуры в стенках реактора СВС-20 и графитовой формы показали быстрый рост температуры на внешней поверхности стенки формы до максимума (Тmax = 1840°С), после чего наблюдается медленное падение. Рост температуры в стенке реактора до максимума (Тmax = 585°С) более медленный вследствие теплоотвода в массивную оболочку корпуса реактора. Исследован механизм химического превращения и стадийности фазообразования методом динамической рентгенографии и остановки фронта горения («закалки»). На примере горения шихты (Fe₂O₃/2Al + 30%AlN) выявлена определяющая роль стадийности процесса восстановления Fe₂O₃ в ходе экзотермической реакции. Показано сильное влияние состава исходных смесей термитного типа на процессы горения, фазоразделения, формирования состава и микроструктуры твердых растворов Al₂O₃ - Cr₂O₃, Al₂O₃ - ZrO₂, Al₂O₃ - MgO. Отмечено, что с увеличением «холодной» составляющей (α) (слабоэкзотермическая смесь) в общей шихте во всех сериях экспериментов наблюдается уменьшение скорости горения и диспергирования, связанное с понижением температуры горения, которое связано с тем, что оксиды хрома, циркония и магния плохо восстанавливаются алюминием и ведут себя как инертное вещество. В результате расходуется энергия на их расплавление, что приводит к снижению температуры горения. При больших α фронт горения становится неровным, наблюдаются «проскоки», ухудшается фазоразделение. В целевых оксидных продуктах появляется заметное количество металлической фазы. Ее присутствие объясняется тем, что из-за малого времени «жизни» расплава при низкой температуре горения некоторые металлические капли не успевают выделиться в нижний металлический слиток и застревают в оксидном целевом продукте. Показано, что для получения литых целевых оксидных и оксинитридных материалов высокой чистоты необходимо увеличить время «жизни» расплава, температуру горения и проводить синтезы в условиях избыточного давления (Р = 5 МП) газовой среды (Ar или N).