Metal-ceramic composites with permanent connection fabrication using spark plasma sintering

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article presents a study on obtaining silicon carbide ceramics, including those with a reinforcing additive (10 wt. % SiCw whiskers), and metal-ceramic composites with a permanent connection based on this ceramics and heat-resistant alloy ZhS6U-VI using spark plasma sintering technology. The dynamics of SiC powder consolidation under SPS conditions, as well as the phase composition, structure, density and microhardness of the formed samples of SiC ceramics and its reinforced form SiC/SiCw are studied. A method for obtaining metal-ceramic composites with a permanent connection based on the obtained samples of ceramics and heat-resistant alloy ZhS6U-VI under SPS conditions is implemented. SEM and EDS methods showed that obtaining composites with defect-free boundaries of permanently connected layers of ceramics and heat-resistant alloy is achieved by forming intermediate layers of Ti-Ag and Ni-Ag binders, as well as a damper layer of Mo to compensate for a significant difference in CTLE’s values. The structural integrity of the composites was studied using electron microscopy and X-ray microtomography. As a result, it was found that the composition of SiC ceramics without the addition of SiCw whiskers is more structurally homogeneous and less brittle for obtaining a SiC—ZhS6U-VI composite with a permanent connection using the SPS technology.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. K. Papynov

Far Eastern Federal University

Author for correspondence.
Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Vladivostok

S. V. Chyklinov

Moscow Aviation Institute (National Research University); CJSC "Aviation Technologies. Engineering and Consulting"

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

O. O. Shichalin

Far Eastern Federal University

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Vladivostok

V. I. Sergienko

Presidium of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Vladivostok

E. Yu. Marchukov

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. N. Mukhin

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Belov

Far Eastern Federal University

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Vladivostok

S. G. Chistyakov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: papynov@mail.ru
Russian Federation, Tomsk

References

  1. Shcherban N.D. // J. Ind. Eng. Chem. 2017. V. 50. № 2016. P. 15. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2017.02.002
  2. Eom J.H., Kim Y.W., Raju S. // J. Asian Ceram. Soc. 2013. V. 1. № 3. P. 220. https://doi.org/10.1016/j.jascer.2013.07.003
  3. Nascimento R.M. do, Martinelli A.E., Buschinelli A.J.A. // Cerâmica. 2003. V. 49. № 312. P. 178. https://doi.org/10.1590/s0366-69132003000400002
  4. Zhang Y., Chen Y.K., Yu D.S. et al. // J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9. № 6. P. 16214. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.088
  5. Orru` R., Licheri R., Locci A.M. et al. // Mater. Sci. Eng. R 2009. V. 63. № 4–6. P. 127. https://doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.003
  6. Cavaliere P. // Spark Plasma Sintering of Materials, Springer International Publishing, Cham, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-05327-7
  7. Liu W., Naka M. // Scr. Mater. 2003. V. 48. № 9. P. 1225. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(03)00074-5
  8. Uday M.B., Ahmad-Fauzi M.N., Noor A.M. et al. // Current Issues and Problems in the Joining of Ceramic to Metal // Join. Technol., InTech. 2016. P. 159. https://doi.org/10.5772/64524
  9. Naveen Kumar N., Janaki Ram G.D., Bhattacharya S.S. // Trans. Indian Inst. Met. 2019. V. 72. № 7. P. 1837. https://doi.org/10.1007/s12666-019-01662-8
  10. Ваганова М.Л., Сорокин О.Ю., Осин И.В. // Авиационные материалы и технологии 2017. С. 306. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2017-0-s-306-317
  11. Watanabe M., Yokoyama K., Imai Y. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 6. P. 8706. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.004
  12. Vidyuk T.M., Dudina D.V., Esikov M.A. et al. // Mater. Today Proc. 2019. V. 25. P. 377. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.095
  13. Chen Y.J., Li F.X., Liu Y.C. et al. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 29. P. 3063. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.02.030
  14. Bahraminasab M., Ghaffari S., Eslami-Shahed H. // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2017. V. 72. P. 82. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2017.04.024
  15. Чуклинов С.В., Сергиенко В.И., Папынов Е.К. и др. // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 1. С. 115. https://doi.org/10.31857/S0044457X22601237
  16. Папынов Е.К., Чуклинов С.В., Шичалин О.О. и др. // Авиационные двигатели. 2024. № (3)24. С. 3.
  17. Zhang Z.H., Wang F.C., Luo J. et al. // Mater. Sci. Eng. A 2010. V. 527. № 7–8. P. 2099. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.12.027
  18. Житнюк С.В., Сорокин О.Ю., Журавлева П.Л. // Тр. ВИАМ 2020. № 2. С. 50. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-2-50-59
  19. Воронов В.А., Лебедева Ю.Е., Чайникова А.С. и др. // Неорган. матер. 2022. Т. 58. № 1. С. 110. https://doi.org/10.31857/s0002337x22010134
  20. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Papynov E.K. et al. // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2017. V. 82. № 3. P. 748. https://doi.org/10.1007/s10971-017-4367-2
  21. Shapkin N.P., Papynov E.K., Shichalin O.O. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 5. P. 629. https://doi.org/10.1134/S0036023621050168
  22. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. № 4. https://doi.org/10.1134/S0036023623600272
  23. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Чуклинов С.В. et al. // Авиационные двигатели. 2024. № 1. С. 11.
  24. Martinsen K., Hu S.J., Carlson B.E. // CIRP Ann. 2015. V. 64. № 2. P. 679. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.05.006

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. General view of blanks of heat-resistant alloy ZhS6U-VI and ceramic samples (SiC) and in the composition with a reinforcing additive of 10 wt. % SiC whiskers (SiC/SiCw), obtained by IPS.

Download (80KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Assembly diagram of press tooling for producing metal-ceramic composites with permanent connections using IPS technology.

Download (340KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Diffraction patterns and SEM images: initial SiC powder (a, b); reinforcing additive SiCw-whiskers (c, d).

Download (606KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dilatometric dependences of the compaction rate of SiC powder during heating under SPS conditions up to 2000°C (a) and diffraction patterns (b) of samples of the obtained ceramics without additives (SiC) and in a composition with a reinforcing additive (SiC/SiCw).

Download (167KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. SEM images of ceramic samples obtained by IPS: a) without reinforcing additive (SiC); b) in a composition with reinforcing additive (SiC/SiCw).

Download (754KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. General view of metal-ceramic composites with a permanent connection based on SiC ceramics and ZhS6U-VI, obtained by IPS: ceramics without reinforcing additive (SiC) (a); ceramics with reinforcing additive (SiC/SiCw) (b).

Download (226KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. SEM images and EDS analysis of the cut surface of a sample of metal-ceramic composite (SiC–ZhS6U-VI) with a permanent joint obtained by SPS. Contact areas: 1) SiC ceramics and Ti-Ag bonding layer; 2) Ti-Ag bonding layer and Mo damping layer; 3) Mo damping layer and Ni-Ag bonding layer; 4) Ni-Ag bonding layer and ZhS6U-VI alloy.

Download (1MB)
Indexing metadata
9. Рис. 8. ЭДС-анализ с поверхности среза образца металл-керамического композита (SiС/SiCw–ЖС6У-ВИ) с неразъемным соединением, полученного ИПС. Области контакта: 1) SiC–керамика и связующий слой Ti-Ag; 2) связующий слой Ti-Ag и демпферный слой Mo; 3) демпферный слой Mo и связующий слой Ni-Ag; 4) связующий слой Ni-Ag и сплав ЖС6У-ВИ.

Download (1MB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. SEM images of the cut surface of a metal-ceramic composite sample (SiC/SiCw–ЖС6У-ВИ) in the area of ​​a defect (ceramic crack).

Download (380KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. X-ray microtomography of samples of metal-ceramic composites with a permanent connection obtained by IPS: a) SiC–ZhS6U-VI; b) SiC/SiCw–ZhS6U-VI. Layers of tomographic slices (from 1 to 5) in the direction from top to bottom from ceramics to alloy.

Download (637KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».