بررسی مقاومت به اکسیداسیون کامپوزیت چهارجزئی HfB2-HfC-TiC-B4C

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 3، دوره 36، شماره 3 - شماره پیاپی 39، شهریور 1404، صفحه 39-54   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2025.89633.1155

نویسندگان

پریسا چناری¹؛ زهره بلک^{* 2}؛ وحیده شاهدی فر³

¹گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز.ایران.

²گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز. ایران.

³گروه مهندسی و علم مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه.

چکیده

در این پژوهش به بررسی مقاومت به اکسایش کامپوزیت های چهار جزیی HfB2-HfC-TiC-B4C با نسبت های مولی برابر و 7:1:1:1 با و بدون نایوبیوم پرداخته شده است. برای این منظور چهار کامپوزیت 70HfB2-HfC-TiC-B4C، 70HfB2-HfC-TiC-B4C/Nb، HfB2-HfC-TiC-B4C و HfB2-HfC-TiC-B4C/Nb به روش پلاسمای جرقه ای در دمای 2000 درجه سانتیگراد، زمان نگه داری 25 دققیقه و فشار 35 مگاپاسکال تفجوشی شدند. بررسی مقاومت به اکسایش نمونه ها در دمای 1200 درجه سانتیگراد و زمان ماندگاری 20 دقیقه، به روش TG و DTA همزمان انجام شد. شناسایی فاز و بررسی های ریزساختاری به ترتیب با روش های تفرق اشعه X ( XRD ) و میکروسکوپ الکترونی روبشی ( SEM ) انجام شد. نتایج نشان داد که پوسته اکسیدی تشکیل شده در تمامی نمونه ها HfO2 می باشد. مشخص شد که نمونه های با نسبت مولی برابر دارای مقاومت به اکسایش بالاتری نسبت به نمونه های با نسبت 7:1:1:1 می باشند. حضور نایوبیوم نیز سبب تشکیل پوسته اکسیدی چگال تر شده و از این رو مقاومت به اکسایش را بهبود می بخشد.

کلیدواژه‌ها

مقاومت به اکسیداسیون؛ آنالیز حرارتی همزمان؛ سرامیک های فوق دما بالا؛ تفجوشی پلاسمای جرقه ای

مراجع

[1]   M. Kheyrollazadeh, Z. Balak, M. Azizieh, and M. S. Asl, “Effect of TaC and graphene nanoplatelets on the microstructure and mechanical properties of ZrB₂,” Diamond and Related Materials, vol. 139, p. 110345, 2023. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110345

[2]   V. Savari, Z. Balak, and V. Shahedifar, “Combined and alone addition effect of nano carbon black and SiC on the densification and fracture toughness of SPS-sintered ZrB₂,” Diamond and Related Materials, vol. 128, p. 109244, 2022. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109244

[3]   E. Dodi, Z. Balak, and H. Kafashan, “HfB₂-doped ZrB₂-30 vol.% SiC composites: Oxidation resistance behavior,” Materials Research Express, vol. 8, no. 4, p. 045605, 2021. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abdf1a

[4]   A. Hanifi and Z. Balak, “Effect of microstructure, chemical composition, and open porosity on oxidation resistance of ZrB₂-based composites,” Advanced Ceramics Progress, vol. 6, no. 4, pp. 37–44, 2020. https://doi.org/10.30501/acp.2020.204582.1043

[5]   M. Ghasilzadeh Jarvand and Z. Balak, “Oxidation response of ZrB₂–SiC–ZrC composites prepared by spark plasma sintering,” Synthesis and Sintering, vol. 2, no. 4, pp. 191–197, 2022. https://doi.org/10.53063/synsint.2022.24134 

[6]   T. Rong, L. Nian, L. Qizhong, Z. Song, Z. Lianmeng, and G. Takashi, “Effect of microstructure on mechanical, electrical and thermal properties of B₄C–HfB₂ composites prepared by arc melting,” Journal of the European Ceramic Society, vol. 36, no. 16, pp. 3929–3937, 2016. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.06.049

[7]   N. Abdel-Karim, Z. Balak, and M. Shahedi Asl, “Fabrication and characterization of HfB₂-based composites in the presence of TiC and CNT,” Materials Chemistry and Physics, vol. 287, p. 126244, 2022. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126244

[8]   W. Sun, Y. Tian, S. Xu, L. Liu, and Y. Lu, “Powder synthesis, densification, microstructure, and mechanical properties of HfB₂–HfC ceramic composites,” International Journal of Applied Ceramic Technology, vol. 21, no. 1, pp. 195–206, 2024. https://doi.org/10.1111/ijac.14283

[9]   M. Mallik, K. K. Ray, and R. Mitra, “Oxidation behavior of hot pressed ZrB₂–SiC and HfB₂–SiC composites,” Journal of the European Ceramic Society, vol. 31, no. 1, pp. 199–215, 2011. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.08.018

[10]  W. G. Fahrenholtz, “The ZrB₂ volatility diagram,” Journal of the American Ceramic Society, vol. 88, no. 12, pp. 3509–3512, 2005. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00599.x

[11]  M. M. Opeka, I. G. Talmy, E. J. Wuchina, J. A. Zaykoski, and S. J. Causey, “Mechanical, thermal, and oxidation properties of refractory hafnium and zirconium compounds,” Journal of the European Ceramic Society, vol. 19, no. 13, pp. 2405–2414, 1999. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(99)00129-3

[12]  D. Sciti, M. Brach, and A. Bellosi, “Long-term oxidation behavior and mechanical strength degradation of a pressurelessly sintered ZrB₂–MoSi₂ ceramic,” Scripta Materialia, vol. 53, no. 11, pp. 1297–1302, 2005. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2005.07.026

[13]  M. Opeka, I. Talmy, and J. Zaykoski, “Oxidation-based materials selection for 2000°C + hypersonic aerosurfaces: Theoretical considerations and historical experience,” Journal of Materials Science, vol. 39, pp. 5887–5904, 2004. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000041686.21788.77

[14]  E. Wuchina, M. Opeka, S. Causey, K. Buesking, J. Spain, A. Cull, J. Routbort, and F. Guitierrez-Mora, “Designing for ultrahigh-temperature applications: The mechanical and thermal properties of HfB₂, HfCₓ, HfNₓ, and αHf(N),” Journal of Materials Science, vol. 39, no. 19, pp. 5939–5949, 2004. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000041690.06117.34

[15]  P. Hu, W. Guolin, and Z. Wang, “Oxidation mechanism and resistance of ZrB₂–SiC,” Corrosion Science, vol. 51, no. 11, pp. 2724–2732, 2009. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2009.07.005

[16]  J. Li, T. J. Lenosky, C. J. Först, and S. Yip, “Thermochemical and mechanical stabilities of the oxide scale of ZrB₂+SiC and oxygen transport mechanisms,” Journal of the American Ceramic Society, vol. 91, no. 5, pp. 1475–1480, 2008. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02319.x

[17]  T. A. Parthasarathy, R. A. Rapp, M. Opeka, and R. J. Kerans, “A model for the oxidation of ZrB₂, HfB₂ and TiB₂,” Acta Materialia, vol. 55, no. 17, pp. 5999–6010, 2007. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.07.027

[18]  P. Chenari, Z. Balak, and V. Shahedifar, “Investigation of microstructure and mechanical properties of HfB₂–HfC–TiC–B₄C composites,” Materials Chemistry and Physics, vol. 341, p. 130927, 2025. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2024.130927

[19]  A. Kılıçarslan, F. Toptan, I. Kerti, and S. Piskin, “Oxidation of boron carbide particles at low temperatures,” Materials Letters, vol. 128, pp. 224–226, 2014. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.04.138

[20]  C. Zhang, A. Loganathan, B. Boesl, and A. Agarwal, “Thermal analysis of tantalum carbide-hafnium carbide solid solutions from room temperature to 1400 °C,” Coatings, vol. 7, no. 8, p. 111, 2017. https://doi.org/10.3390/coatings7080111

[21]  S. Shimada, “A thermoanalytical study on the oxidation of ZrC and HfC powders with formation of carbon,” Solid State Ionics, vol. 149, no. 3, pp. 319–326, 2002. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00180-7

[22]  S. Shimada, “A thermoanalytical study of oxidation of TiC by simultaneous TGA-DTA-MS analysis,” Journal of Materials Science, vol. 31, no. 3, pp. 673–677, 1996. https://doi.org/10.1007/BF00367884

[23]  N. Birks, G. H. Meier, and F. S. Pettit, Introduction to the high temperature oxidation of metals, Cambridge University Press, 2006. https://doi.org/10.1017/CBO9781139163903