КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-79-01227
НазваниеРазработка научных основ получения высокопрочных композитов SiC/Ti3SiC2 методом искрового плазменного спекания
РуководительСеданова Елизавета Павловна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словакерамика, композиты, МАХ-фазы, карбид кремния, искровое плазменное спекание, твердофазное вакуумное спекание, прочность
Код ГРНТИ61.35.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку научных основ получения новых керамических композитов на основе карбида кремния (SiC) и МАХ-фазы Ti3SiC2 c улучшенными прочностными характеристиками. Актуальность работы обусловлена развитием технологий в авиакосмической, транспортной и энергетической отраслях промышленности, что требует создания новых материалов для узлов аппаратов и конструкций, обладающих определенным набором эксплуатационных характеристик. Карбид кремния – перспективный материал с уникальным комплексом физико-химических свойств, среди которых значительная механическая прочность, сохраняющаяся при высоких температурах, устойчивость к радиации и коррозии, низкие плотность и коэффициент термического расширения, высокие показатели твердости и теплопроводности. Описанные характеристики позволяют использовать материалы на его основе для изготовления брони, теплообменников, узлов трения, фильтров кислот и литейных сплавов, деталей двигателей, конструкций атомной энергетики и других изделий, эксплуатируемых в агрессивных средах и при экстремальных нагрузках. Среди недостатков карбида кремния следует отметить технологическую сложность получения материалов и изделий на его основе, что обусловлено низким коэффициентом диффузии данного соединения и высокой хрупкостью SiC-керамики, затрудняющей ее обработку.
В настоящем проекте с целью снижения температуры консолидации SiC и для улучшения механических свойств предлагается подход, основанный на формировании композитов SiC/Ti3SiC2 методом искрового плазменного спекания (ИПС). В качестве исходных материалов будут использованы порошки карбида кремния и синтезированной МАХ-фазы системы Ti-Si-С, имеющей ярко-выраженную вытянутую ламинатную структуру (средний размер зерна составит 10-15 мкм). Получение МАХ-фазы будет осуществляться путем применения оригинальной технологии комбинированного синтеза. Будет проведено исследование влияния параметров синтеза на размер кристаллитов, фазовый состав полученного материала, будут определены его физико-механические характеристики. Главной проблемой получения материалов на основе MAX-фаз является их склонность к разложению при высоких температурах. Применение при синтезе композитов SiC/Ti3SiC2 метода искрового плазменного спекания, который характеризуется высокой скоростью консолидации порошков тугоплавких соединений, позволит минимизировать разложение фазы Ti3SiC3, тем самым сохранив высокий процент ключевого компонента в армирующей добавке. Будет проведено исследование влияния параметров ИПС и концентрации армирующей добавки (МАХ-фазы Ti3SiC2) на структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства полученных композитов SiC/Ti3SiC2.
Таким образом, в рамках проекта впервые будут установлены закономерности формирования композитов SiC/Ti3SiC2 при искровом плазменном спекании и механизмы их разрушения. Будут разработаны рекомендации по синтезу перспективных высокопрочных/трещиностойких композитов SiC/Ti3SiC2 с применением отечественных разработанных материалов.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта планируется получение следующих основных результатов.
1. Закономерности влияния технологических параметров синтеза МАХ-фаз системы Ti-Si-C комбинированным методом порошковой технологии на микроструктуру, фазовый состав и свойства полученных материалов.
2. Рекомендации по синтезу МАХ-фазы Ti3SiC2 комбинированным методом порошковой технологии.
3. Закономерности влияния отношения количества исходного порошка SiC к количеству армирующей добавки (МАХ-фазы Ti3SiC2) и параметров искрового плазменного спекания на структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства композитов SiC/Ti3SiC2.
4. Описание механизмов разрушения синтезированных композитов SiC/Ti3SiC2.
5. Рекомендации по формированию высокопрочных/трещиностойких композитов SiC/Ti3SiC2 методом искрового плазменного спекания с применением порошков Ti3SiC2, синтезированных комбинированным методом порошковой технологии.
Значимость результатов проекта заключается в наработке научных основ и развитии отечественных технологий синтеза порошковых материалов на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 с крупным (порядка 10-15 мкм) размером зерна. С использованием полученной армирующей добавки Ti3SiC2 и на основе установленных и экспериментально подтвержденных в ходе выполнения проекта закономерностей будет создан новый высокопрочный композит SiC/Ti3SiC2 для его потенциального применения в качестве функционального материала в авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, энергетике. Результаты проекта внесут вклад в понимание механизмов физико-химических процессов и фазообразования при синтезе МАХ-фаз системы Ti-Si-C, процессов искрового плазменного спекания порошков SiC с добавкой Ti3SiC2.
Полученная армирующая добавка будет способна конкурировать как с отечественными аналогами, так и с зарубежными, в первую очередь за счёт доступности исходного сырья, а также ожидаемо высоких физико-механических характеристик Ti3SiC2.. Оптимизация процессов синтеза и получение композитов SiC/Ti3SiC2 с разным содержанием армирующего компонента (следовательно, с отличающимися эксплуатационными характеристиками) позволит предоставить широкий выбор материалов для решения различных задач отечественного машиностроения и техники. Полученные результаты проекта будут полностью соответствовать мировому уровню и будут опубликованы в высокорейтинговых профильных журналах первого и второго квартиля по Scopus/WoS.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В первый год реализации проекта двухэтапной термообработкой порошковых смесей 3Ti/1,2Si/2C, Ti/1,2Si/2TiC методами твердофазного вакуумного спекания и искрового плазменного спекания (ИПС) получены композиты с содержанием МАХ-фазы Ti3SiC2 от 35 до 87 об. %. Микроструктура полученных композитов представлена вытянутыми зернами Ti3SiC2 размером до 12 мкм и включениями промежуточных продуктов синтеза МАХ-фазы – фазами TiC и TiSi2.
Установлено, что дополнительное консолидирование композитов Ti3SiC2-TiC, полученных при вакуумном спекании, методом ИПС с избытком Si ведет к увеличению содержания МАХ-фазы от 65 и 87 об. % и от 73 до 80 об.% для исходных смесей 3Ti/1,2Si/2C, Ti/1,2Si/2TiC, соответственно. Определены оптимальные условия получения композитов с содержанием МАХ-фазы более 80 об.%, заключающиеся в термообработке вакуумным спеканием при 1400 °C в течение 1 часа порошковой смеси 3Ti/1,2Si/2C и последующем искровом плазменном спекании полученного композита с 5 масс.% добавкой порошка чистого кремния в среде вакуума при температуре 1300 °C, давлении 50 МПа и продолжительности изотермической выдержки 3 минуты. Для состава Ti/1,2Si/2TiС необходимо увеличение температуры ИПС до 1400 °C и продолжительности изотермической выдержки до 7 минут.
Определено влияние фазового состава на механические свойства композитов. Полученные значения модуля упругости лежат в диапазоне от 334±3 до 376±3 ГПа, твердости от 5,3±0,3 до 9,5±0,6 ГПа. При этом увеличение значений коррелирует с ростом содержания фаз TiC, Ti3Si5. Наибольшими показателями прочности на изгиб (660±15 МПа) и трещиностойкости (5,2±0,6 МПа∙м1/2) характеризуются композиты с максимальным для исследования содержанием МАХ-фазы. Установлено, что разрушение композитов носит хрупкий характер и происходит по смешанному интеркристаллитному и транскристаллитному механизмам. Снижение прочности связано с уменьшением содержания фазы Ti3SiC2, структура которой способствует преобладанию интеркристаллитного механизма разрушения.
Публикации
1. Седанова Е. П., Арлашкин И.Е., Перевислов С.Н., Кашкаров Е.Б. Синтез композитов на основе МАХ-фазы Ti3SiC2 комбинированным методом порошковой металлургии Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, - (год публикации - 2024)
2. Арлашкин И.Е, Кузнецов А.С., Седанова Е.П., Перевислов С.Н ПОЛУЧЕНИЕ МЕТОДОМ КОМБИНИРОВАННОГО СПЕКАНИЯ АРМИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ Ti3SiC2 XXI Молодежная научная конференция «Функциональные материалы: Синтез, Свойства, Применение», посвященная 75-летнему юбилею Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова (с международным участием): Тезисы докладов конференции, C. 32-33 (год публикации - 2023)
3. Арлашкин И.Е., Хорев М.С Получение композиционных материалов на основе Ti3SiC2 методом комбинированного спекания Сборник тезисов XIV научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых имени профессора, Лауреата Государственной премии СССР А.С. Дудырева «НЕДЕЛЯ НАУКИ-2024. Творчество молодежи – будущему России» (с международным участием), С.27. (год публикации - 2024)
4. Хорев М.С., Арлашкин И.Е Механические свойства композитов на основе Ti3SiC2, полученных искровым плазменным спеканием Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XХI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, - (год публикации - 2024)
5. - Томские физики синтезировали новые композиты со свойствами металла и керамики Энергия+, - (год публикации - )
6. - Ученые ТПУ предложили новый способ получения керамических композитов для авиации и атомной энергетики Служба новостей ТПУ, - (год публикации - )
7. - Создан новый способ получения керамических композитов для атомной энергетики ТАСС, - (год публикации - )