Kinetics of High-Temperature Nitridation of Zr–Nb Solid Solutions

I. A. Kovalev; Ковалев И. А.; A. S. Chernyavskii; Чернявский А. С.; S. S. Strel’nikova; Стрельникова С. С.; A. V.  Shokod’ko; Шокодько А. В.; A. I. Sitnikov; Ситников А. И.; K. Yu. Demin; Демин К. Ю.; S. V. Shevtsov; Шевцов С. В.; L. O. L’vov; Львов Л. О.; V. Yu. Zufman; Зуфман В. Ю.; G. P. Kochanov; Кочанов Г. П.; K. A. Solntsev; Солнцев К. А.

doi:10.31857/S0002337X23030089

Kinetics of High-Temperature Nitridation of Zr–Nb Solid Solutions

Authors: Kovalev I.A.¹, Chernyavskii A.S.¹, Strel’nikova S.S.¹, Shokod’ko A.V.¹, Sitnikov A.I.¹, Demin K.Y.¹, Shevtsov S.V.¹, L’vov L.O.¹, Zufman V.Y.¹, Kochanov G.P.¹, Solntsev K.A.¹
Affiliations:
1. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russia
Issue: Vol 59, No 3 (2023)
Pages: 251-259
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140150
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23030089
EDN: https://elibrary.ru/YSIIVM
ID: 140150

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

We have demonstrated general kinetic aspects of the formation of nitrides of Zr–Nb alloys (containing 0.1, 2.5, and 5 wt % Nb) at a temperature of 1900°C. The nitridation process has been shown to have a two-stage character, with both stages having an exponential rate law. The reaction rate in the second stage is considerably lower than in the first stage. We have determined the composition of the resulting heterostructures of the form Zr1–хNbхN–ZrN1–n /β-solid solution of zirconium in niobium (Zr1–хNbхN) and identified the nitridation sequence of the components of the starting alloy. The first stage of the process is the formation of an α-solid solution of nitrogen in Zr and its conversion into a nonstoichiometric nitride. The kinetic curve of the second stage describes nitridation of the β-Nb phase resulting from the decomposition of the Zr〈Nb〉 solid solution. The duration of the second stage of the process has been shown to be determined by the amount of niobium in the starting solid solution. Experimental evidence is presented that single-stage nitridation of Zr–M alloys can be used for producing single-phase ceramics containing active additions and having the shape of the starting metallic workpiece.

Keywords

zirconium nitride, ceramics, Zr〈Nb〉 solid solution, nitridation, rate laws, oxidation-assisted engineering

References

Кононов А.Г., Кукареко В.А., Белый А.В., Шаркеев Ю.П. Ионно-модифицированные субмикрокристаллические титановые и циркониевые сплавы для медицины и техники // Механика машин, механизмов и материалов. 2013. Т. 1. № 22. С. 47–53.
Zhaoa Y., Lib H., Huanga Yu. The Structure, Mechanical, Electronic and Thermodynamic Properties of bcc Zr–Nb Alloy: A First Principles Study // J. Alloys Compd. 2021. V. 862. P. 158029. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158029
Daniel C.S., Honniball P.D., Bradley L., Preuss M., Fonseca J.Q. Texture Development during Rolling of α + β Dual-Phase ZrNb Alloys // Zirconium in the Nuclear Industry: 18th Int. Symp. STP 1597. 2018. https://doi.org/10.1520/STP159720160070
Соколенко В.И., Мац А.В., Мац В.А. Механические характеристики наноструктурированных циркония и цирконий-ниобиевых сплавов // Физика и техника высоких давлений. 2013. Т. 23. № 2. С. 96–102.
Liua Ya., Yanga Yu., Donga D., Wanga J., Zhoua L. Improving Wear Resistance of Zr-2.5Nb Alloy by Formation of Microtextured Nitride Layer Produced Via Laser Surface Texturing/Plasma Nitriding Technology // Surf. Interfaces. 2020. V. 20. P. 100638. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100638
Chernyavskii A.S. Synthesis of Ceramics Based on Titanium, Zirconium, and Hafnium Nitrides // Inorg. Mater. 2019. V. 55. № 13. P. 1303–1327. https://doi.org/10.1134/S0020168519130016
Graziani T., Bellosi A. Densification and Char Acteristics of TiN Ceramics // J. Mater. Sci. Lett. 1995. V. 14. № 15. P. 1078–1081. https://doi.org/10.1007/BF00258170
Bashlykov S.S., Demenyuk V.D., Grigor’ev E.G., Olevskii E.A., Yurlova M.S. Electropulse Consolidation of UN Powder // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2014. V. 5. № 3. P. 278–283. https://doi.org/10.1134/S2075113314030034
Деменюк В.Д., Юрлова М.С., Лебедева Л.Ю., Григорьев Е.Г., Олевский Е.А. Методы электроимпульсной консолидации: альтернатива спарк-плазменному спеканию (обзор литературы) // Ядерная физика и инжиниринг. 2013. Т. 4. № 3. С. 195–239. https://doi.org/10.1134/S2079562913030019
Смирнова Д.Е., Стариков С.В., Гордеев И.С. Исследование фазовых переходов и механизмов деформации в цирконии и сплавах цирконий-ниобий: Атомистическое моделирование. Сб. материалов VII Междунар. конф. “Деформация и разрушение материалов и наноматериалов” (7–10 ноября 2017 г.) М.: ИМЕТ РАН, 2017. 951 с.
Белый А.В., Кононов А.Г., Кукареко В.А. Влияние ионно-лучевого азотирования на структурнофазовое состояние и триботехнические характеристики поверхностных слоев сплава Zr–2.5% Nb // Тр. БГТУ. 2016. № 2. С. 87–99.
Pshenichnaya O.V., Kuzenkova M.A., Kislyi P.S. Effect of Powder Particle Size on the Sintering of Zirconium Nitride // Powder Metall. Met. Ceram. 1979. V. 18. P. 882–887.
Petrykina Y.R., Shvedova K.L. Hot Pressing of Transition Metal Nitrdes and Their Properties // Poroshk. Metall. 1972. V. 11. № 4. P. 276–279.
Solntsev K.A., Shustorovich E.M., Buslaev Y.A. Oxidative Constructing of Thin-Walled Ceramics (OCTWC) // Dokl. Chem. 2001. V. 378. № 4–6. P. 143–149.
Солнцев К.А., Шусторович Е.М., Чернявский А.С., Дуденков И.В. Окислительное конструирование тонкостенной керамики (ОКТК) выше температуры плавления металла: получение оксидных волокон из волокон Ai и его сплава // Докл. Академии наук. 2002. T. 385. № 3. C. 372–377.
Кузнецов К.Б., Шашкеев К.А., Шевцов С.В., Огарков А.И., Третьяков Н.Н., Саприна М.П., Костюченко А.В., Чернявский А.С., Иевлев В.М., Солнцев К.А. Структура и твердость керамики, полученной в процессе высокотемпературной нитридизации циркониевой фольги // Неорган. материалы. 2015. Т. 51. № 8. С. 893–900. https://doi.org/10.7868/S0002337X15080126
Шевцов С.В., Огарков А.И., Ковалев И.А., Кузнецов К.Б., Просвирнин Д.В., Ашмарин А.А., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Структурно-фазовые превращения и твердость керамики, получаемой в процессе высокотемпературной нитридизации циркония // Журн. неорган. химии. 2016. Т. 61. № 12. С. 1635–1639. https://doi.org/10.7868/S0044457X16120163
Ковалев И.А., Канныкин С.В., Коновалов А.А., Кочанов Г.П., Огарков А.И., Тарасов Б.А., Шорников Д.П., Стрельникова С.С., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Фазовые превращения при высокотемпературной нитридизации сплавов Zr–Nb // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 4. С. 382–388. https://doi.org/10.31857/S0002337X22040078
Ushakov S.V., Navrotsky A., Hong Q-J., Walle A. Carbides and Nitrides of Zirconium and Hafnium // Materials. 2019. V. 12. № 17. P. 2728. https://doi.org/10.3390/ma12172728
Kovalev I.A., Kochanov G.P., L’vov L.O., Shevtsov S.V., Kannikin S.V., Sitnikov A.N., Strel’nikova S.S., Chernyavskii A.S., Solntsev K.A. Compositional Evolution of Zirconium and Niobium in the Process of High-Temperature Nitridation of Zr–Nb Alloys // Mendeleev Commun. 2022. V. 32. № 4. P. 498–500. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.07.022
Powder Diffraction File. Alphabetical Index Inorganic Compounds. Pensilvania: ICPDS. 1997.
Бутягин П.Ю. Химическая физика твердого тела М.: Изд-во МГУ. С. 185.
Кузнецов К.Б., Ковалев И.А., Зуфман В.Ю., Огарков А.И., Шевцов С.В., Ашмарин А.А., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Кинетика насыщения циркония азотом в процессе высокотемпературной нитридизации // Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 6. С. 609–611. https://doi.org/10.7868/S0002337X16060075
Abriata J.P., Bolcich J.C. The Nb−Zr (Niobium−Zirconium) System // J. Phase Equilib. 1982. № 3 (1). P. 34–44.
Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник, 2–е изд. М.: Металлургия, 1976. 560 с.