Ультрависокотемпературна кераміка  на основі HfB₂: структура, високотемпературна міцність і стійкість до окиснення

Анотація

Методом гарячого пресування в температурному інтервалі 1800–2000 °С отримано ультрависокотемпературну кераміку на основі дибориду гафнію з добавками 15% (об.)  MoSi₂, 15% (об.)  SiC та з комбінованою добавкою 15% (об.)  SiC + 5% (об.) WC. Щільність отриманої композиційної кераміки складала >98%. У процесі гарячого пресування відбувається взаємодія між компонентами з утворенням нових високотемпературних фаз (WB, MoB); розмір усіх структурних елементів яких не перевищує 5 мкм. Максимальні значення міцності на згин були досягнуті на зразках складу HfB₂–15% (об.) SiC–5% (об.) WC: 587 ± 25 МПа при кімнатній температурі та 535 ± ± 18 МПа при температурі випробування 1800 °С, що пов’язане із транскристалітним механізмом руйнуванням матеріалу. Під час окиснення формується тришарова окалина: верхній шар — боросилікатне скло з прошарком HfSiO₄; cередній  шар — на основі HfO₂ з включеннями B₂O₃–SiO₂; нижній шар — на основі оксиду гафнію та включень інших оксидів. Загальна товщина окалини складала ~50 мкм для матеріалу, окисненого при температурі 1600 °С з витримкою 5 год, та  ~150 мкм — при 1500 °С з витримкою 50 год. Високу стійкість до окиснення мав композит HfB₂–15% (об.) MoSi₂, де швидкість окиснення не перевищувала ~1 мг/см²× год за рахунок формування щільного та однорідного шару HfSiO₄ на поверхні матеріалу. Водночас швидкість окиснення найбільш корозійностійкого композита на основі дибориду цирконію ZrB₂–15% (об.) MoSi₂ складала ~2 мг/см² × год. Така висока стійкість до окиснення кераміки на основі дибориду гафнію пояснюється меншою швидкістю дифузії кисню в HfO₂ і HfSiO₄, ніж у ZrO₂ та ZrSiO₄, що підтверджується результатами математичного моделювання процесу окиснення.