Синтез и характеристики ультратугоплавких композитов для гиперзвуковой аэрокосмической техники

Объектом исследования является синтез плотных ультратугоплавких материалов на основе систем Ta–Zr–C, T–Zr–C–B, Hf–Zr–C, Ta–Hf–C–B и Ta–Hf–C–B с субмикронной кристаллической структурой одностадийным методом. Метод включает приготовление реакционной смеси порошков металлов и неметаллов, экзотермический синтез в режиме электротеплового взрыва (ЭТВ) и консолидацию целевого продукта в условиях изостатического сжатия. Порошки Ta, Hf и Zr предварительно смешивали в гексане в шаровой планетарной мельнице АГО-2. Затем к полученному прекурсору добавляли сажу и дополнительно смешивали 4 мин. Цель работы – исследование влияния длительности механической активации в планетарной мельнице АГО-2 на характеристики реакционных смесей, закономерности ЭТВ, формирование фазового состава и структуры целевого продукта, физико-механических характеристик. Показано, что при механической активации (МА) в гексане в течение 40–60 мин. в результате деформационного воздействия происходит аморфизация металлов и зарождение кристаллитов карбидной фазы с кубической структурой. Образование карбидов связано с взаимодействием Ta, Zr и Hf с углеродом, образующимся в результате разложения гексана. Приготовленную реакционную смесь помещали в диэлектрическую пресс-форму, прикладывали давление 100 МПа и нагревали, пропуская через нее электрический ток. Время синтеза и консолидации тугоплавких материалов составляло 5 секунд. В результате исследования впервые методом ЭТВ под давлением получены ультратугоплавкие керамики, содержащие однофазные твердые растворы Ta4ZrC5, Hf4ZrC5 и Ta4HfC5 и ультратугоплавкие керамические композиты Ta4ZrC5-xZrB2, Ta4HfC5-хHfB2, содержащие в качестве дисперсной фазы однофазные твердые растворы Ta4ZrC5, Ta4HfC5, а в качестве керамической связки – ZrB2. На основе системы Hf-Zr-C-B получены ультратугоплавкие керамические композиты, содержащие твердые растворы (Hf,Zr)С и (Hf,Zr)B2. Экспериментально показано, что при МА в течение 40-60 минут, несмотря на высокую температуру ЭТВ, размер частиц в керамике Ta4ZrC5, Hf4ZrC5 и Ta4HfC5 составляет 1-2 мкм, 0,3-1 мкм и менее 0,2 мкм, соответственно. Они значительно меньше, чем размер частиц аналогичных твердых растворов (20–50 мкм), полученных методом искрового плазменного спекания или горячего прессования. Остаточная пористость полученных твердых растворов карбидов тантала и гафния составляет 10–12 %. Испытание коррозионной и эрозионной стойкости полученных композитов проводилось в пламени кислородно-ацетиленовой горелки.