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

Кинетика высокотемпературной нитридизации твердых растворов Zr–Nb

Авторы: Ковалев И.А.¹, Чернявский А.С.¹, Стрельникова С.С.¹, Шокодько А.В.¹, Ситников А.И.¹, Демин К.Ю.¹, Шевцов С.В.¹, Львов Л.О.¹, Зуфман В.Ю.¹, Кочанов Г.П.¹, Солнцев К.А.¹
Учреждения:
1. Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
Выпуск: Том 59, № 3 (2023)
Страницы: 251-259
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140150
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23030089
EDN: https://elibrary.ru/YSIIVM
ID: 140150

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Определены кинетические закономерности образования нитридов сплавов Zr–Nb (содержание Nb 0.1, 2.5 и 5 мас. %) при температуре 1900°C. Процесс азотирования характеризуется двухстадийностью, где обе стадии описываются экспоненциальным законом. Скорость химической реакции на второй стадии значительно меньше, чем на первой. Охарактеризован состав формирующихся гетероструктур Zr_1–хNb_хN–ZrN_1–n/β-твердый раствор циркония в ниобии–Zr_1–хNb_хN, установлена последовательность нитридизации компонентов исходного сплава. На первой стадии процесса происходят образование α-твердого раствора азота в Zr и его переход в нестехиометрический нитрид. Кинетическая зависимость на второй стадии описывает нитридизацию фазы β-Nb, образовавшейся при распаде твердого раствора Zr⟨Nb⟩. Показано, что продолжительность второй стадии процесса определяется количеством ниобия в исходном твердом растворе. Экспериментально подтверждена возможность создания однофазной керамики с активными добавками нитридизацией сплавов Zr–М в одностадийном процессе с сохранением исходной формы металлической заготовки.

Ключевые слова

нитрид циркония, керамика, твердый раствор Zr〈Nb〉, нитридизация, кинетические законы, окислительное конструирование

Список литературы

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.