Preparation of Zirconium Carbide-Based Refractory Ceramics by Direct Zirconium Carburization

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Compact stoichiometric zirconium carbide (ZrC) with a tailored shape has been synthesized by direct carburization of rolled zirconium metal in an atmosphere of an argon + ethylene gas mixture. Ceramics have been produced by reacting zirconium metal with ethylene gas, through absorption of the carbon released on the reaction surface as a result of C2H6 pyrolysis. We have characterized the microstructure of the ceramics and assessed the mechanical and conductive properties of the synthesized ZrC.

About the authors

G. P. Kochanov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

A. S. Chernyavskii

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

S. S. Strel’nikova

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

S. N. Klimaev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

A. V. Kostyuchenko

Voronezh State Technical University, 394006, Voronezh, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

P. A. Osipov

Voronezh State Technical University, 394006, Voronezh, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

A. A. Konovalov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

S. V. Shevtsov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

S. V. Kannykin

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia; Voronezh State University, 394006, Voronezh, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49; Россия, 394006, Воронеж, Университетская пл., 1

I. A. Kovalev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

I. A. Kostikov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia; Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49; Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1

K. A. Solntsev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: vankovalskij@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 49

References

  1. Сорокин О.Ю., Гращенков Д.В., Солнцев С.С., Евдокимов С.А. Керамические композиционные материалы с высокой окислительной стойкостью для перспективных летательных аппаратов // Тр. ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2014. № 6. С. 8.
  2. Кириченко В.Г., Азаренков Н.А. Ядерно-физическое металловедение сплавов циркония. Харьков: ХНУ им. В. Н. Каразина, 2012. С. 405.
  3. Yutai Katoh, Gokul Vasudevamurthy, Takashi Nozawa, Lance L. Snead. Properties of Zirconium Carbide for Nuclear Fuel Applications // J. Nucl. Mater. 2013. V. 441. № 1–3. P. 718–742.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.05.037
  4. Chunlei Yan, Rongjun Liun, Yingbin Cao, Changrui Zhang, Deke Zhang. Synthesis of Zirconium Carbide Powders Using Chitosan as Carbon Source // Ceram. Int. 2013. V. 39. № 3. P. 3409–3412. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.09.032
  5. Кузнецова В.В., Крутский Ю.Л. Синтез карбида циркония карботермическим методом с использованием нановолокнистого углерода // Новосибирск: НГТУ, 2014. С. 248–251.
  6. Tamoghna Chakrabarti, Lingappa Rangaraj, Vikram Jayaram. Computational Modeling of Reactive Hot Pressing of Zirconium Carbide // J. Mater. Res. 2015. V. 30. № 12. P. 1876–1886. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.147
  7. Wei X., Back C., Izhvanov O., Haines C., Olevsky E. Zirconium Carbide Produced by Spark Plasma Sintering and Hot Pressing: Densification Kinetics, Grain Growth, and Thermal Properties // Materials. 2016. V. 9. № 7. P. 577. https://doi.org/10.3390/ma9070577
  8. Кочанов Г.П., Рогова А.Н., Ковалев И.А., Шевцов С.В., Ситников А.И., Костюченко А.В., Климаев С.Н., Ашмарин А.А., Стрельникова С.С., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Синтез высокотемпературной керамики на основе карбида ниобия прямой карбидизацией ниобия // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 10. С. 1138–1143. https://doi.org/10.31857/S0002337X21100055
  9. Солнцев К.А., Шусторович Е.М., Буслаев Ю.А. Окислительное конструирование тонкостенной керамики // Докл. Академии наук. 2001. Т. 378. № 4. С. 492–499.
  10. Шевцов С.В., Ковалев И.А., Огарков А.И., Канныкин С.В., Просвирнин Д.В., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Cтруктура и твердость керамики, синтезируемой в процессе высокотемпературной нитридизации титановой фольги // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 3. С. 311–316. https://doi.org/10.7868/S0002337X18030144
  11. Ковалев И.А., Зуфман В.Ю., Шевцов С.В., Шашкеев К.А., Огарков А.И., Овсянников Н.А., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Микроструктура рутильной керамики, полученной с применением подхода окислительного конструирования // Перспективные материалы. 2015. № 6. С. 57–65.
  12. Ковалев И.А., Кочанов Г.П., Рубцов И.Д., Шокодько А.В., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Способ получения высокотемпературных керамических термоэлектрических преобразователей для высокотемпературной термометрии из нитридов элементов подгрупп титана и ванадия методом окислительного конструирования: Патент RU 2759827 C1, МПК G01K7/02 C01B21/76, от 12.02.2021 г.
  13. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т.: Т. 1. М.: Машиностроение, 1996. С. 992.
  14. Sara R.V. The System Zirconium-Carbon // J. Am. Ceram. Soc. 1965. V. 48. № 5. P. 243–247. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1965.tb14729.x
  15. The International Centre for Diffraction Data. 2003.
  16. Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 6. P. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  17. Вильк Ю.Н., Никольский С.С., Аварбэ Р.Г. Температурная зависимость коэффициента диффузии углерода в нестехиометрических карбидах циркония, ниобия и тантала // Теплофизика высоких температур. 1967. Т. 5. № 4. С. 607–611.
  18. Чувильдеев В.Н., Семенычева А.В. Модель зернограничной самодиффузии в α- и β-фазах титана и циркония // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 1. С. 5–12.
  19. Harrison R.W., Lee W.E. Processing and Properties of ZrC, ZrN and ZrCN Ceramics: a Review // Adv. Appl. Ceram. 2016. V. 115. № 5. P. 294–307. https://doi.org/10.1179/1743676115y.000000006
  20. Frank F., Tkadletz M., Czettl C., Schalk N. Microstructure and Mechanical Properties of ZrN, ZrCN and ZrC Coatings Grown by Chemical Vapor Deposition // Coatings. 2021. V. 11. № 5. P. 491. https://doi.org/10.3390/coatings11050491
  21. Gridneva I.V., Mil’man Y.V., Rymashevskii G.A., Trefilov V.I., Chugunova S.I. Effect of Temperature on the Strength Characteristics of Zirconium Carbide // Sov. Powder Metall. Met. Ceram. 1976. V. 15. № 8. P. 638–645. https://doi.org/10.1007/bf01159455
  22. He X.-M., Shu L., Li H.-B., Li H.-D., Lee S.-T. Structural Characteristics and Hardness of Zirconium Carbide Films Prepared by Tri-Ion Beam-Assisted Deposition // J. Vac. Sci. Technol., A. 1998. V. 16. № 4. P. 2337–2344. https://doi.org/10.1116/1.581349
  23. Long Y., Javed A., Chen J., Chen Z., Xiong X. Phase Composition, Microstructure and Mechanical Properties of ZrC Coatings Produced by Chemical Vapor Deposition // Ceram. Int. 2014. V. 40. № 1. P. 707–713. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.06.05
  24. Нешпор В.С., Никитин В.П., Новиков В.И., Попов В.В. Электрофизические свойства карбида циркония // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1977. Т. 13. № 4. С. 654–657.
  25. Allison C.Y., Finch C.B., Foegelle M.D., Modine F.A. Low-Temperature Electrical Resistivity of Transition-Metal Carbides // Solid State Commun. 1988. V. 68. № 4. P. 387–390.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (85KB)
Indexing metadata
3.

Download (553KB)
Indexing metadata
4.

Download (986KB)
Indexing metadata
5.

Download (1MB)
Indexing metadata
6.

Download (54KB)
Indexing metadata
7.

Download (27KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Г.П. Кочанов, И.А. Костиков, И.А. Ковалев, С.В. Канныкин, С.В. Шевцов, А.А. Коновалов, П.А. Осипов, А.В. Костюченко, С.Н. Климаев, С.С. Стрельникова, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».