Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂
С помощью методов термогравиметрии, дифференциального термического анализа, а также рентгенофазового, петрографического и рентгеноспектрального анализов исследовано неизотермическое высокотемпературное окисление на воздухе (до 1600 °C) керамики системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂. При изотермическом окислении (...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85326 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ / А.Д. Панасюк, И.А. Подчерняева, А.П. Уманский, В.И. Дыбков, В.П. Коновал, В.А. Лавренко // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2012. — № 12. — С. 89-94. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-85326 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-853262017-11-02T16:05:42Z Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ Панасюк, А.Д. Подчерняева, И.А. Уманский, А.П. Дыбков, В.И. Коновал, В.П. Лавренко, В.А. Матеріалознавство С помощью методов термогравиметрии, дифференциального термического анализа, а также рентгенофазового, петрографического и рентгеноспектрального анализов исследовано неизотермическое высокотемпературное окисление на воздухе (до 1600 °C) керамики системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂. При изотермическом окислении (1350 °C) выделены кинетические температурные участки линейного и параболического окисления. При температуре 1000–1500 °C установлено образование силиката алюминия Al₂SiO₅ в верхнем слое окалины. За допомогою методiв термогравiметрiї, диференцiального термiчного аналiзу, а також рентгенофазового, петрографiчного та рентгеноспектрального аналiзiв дослiджено неiзотермiчне високотемпературне окиснення на повiтрi (до 1600 °C) керамiки системи SiC−Al₂O₃−ZrO₂. При iзотермiчному окисненнi (1350 °C) видiлено кiнетичнi температурнi дiлянки лiнiйного та параболiчного окиснення. При температурах 1000–1500 °C встановлено утворення силiкату алюмiнiю Al₂SiO₅ у верхньому шарi окалини. With the use of thermogravimetry, TG, DTA, XRD petrographic, and EPMA methods, the nonisothermal high-temperature oxidation in air (up to 1600 °C) of SiC−Al₂O₃−ZrO₂ ceramics has been studied. At 1350 °C, the linear and parabolic sections of oxidation kinetics have been observed. At 1000–1500 °C, it has been established that, in the upper scale layer, the formation of Al₂SiO₅ aluminum silicate occurs. 2012 Article Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ / А.Д. Панасюк, И.А. Подчерняева, А.П. Уманский, В.И. Дыбков, В.П. Коновал, В.А. Лавренко // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2012. — № 12. — С. 89-94. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85326 542.943:620.18 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Матеріалознавство Матеріалознавство |
| spellingShingle |
Матеріалознавство Матеріалознавство Панасюк, А.Д. Подчерняева, И.А. Уманский, А.П. Дыбков, В.И. Коновал, В.П. Лавренко, В.А. Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ Доповіді НАН України |
| description |
С помощью методов термогравиметрии, дифференциального термического анализа,
а также рентгенофазового, петрографического и рентгеноспектрального анализов исследовано неизотермическое высокотемпературное окисление на воздухе (до 1600 °C) керамики системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂. При изотермическом окислении (1350 °C) выделены кинетические температурные участки линейного и параболического окисления. При температуре 1000–1500 °C установлено образование силиката алюминия Al₂SiO₅ в верхнем слое окалины. |
| format |
Article |
| author |
Панасюк, А.Д. Подчерняева, И.А. Уманский, А.П. Дыбков, В.И. Коновал, В.П. Лавренко, В.А. |
| author_facet |
Панасюк, А.Д. Подчерняева, И.А. Уманский, А.П. Дыбков, В.И. Коновал, В.П. Лавренко, В.А. |
| author_sort |
Панасюк, А.Д. |
| title |
Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ |
| title_short |
Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ |
| title_full |
Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ |
| title_fullStr |
Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ |
| title_full_unstemmed |
Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ |
| title_sort |
кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы sic−al₂o₃−zro₂ |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Матеріалознавство |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85326 |
| citation_txt |
Кинетические особенности изотермического и неизотермического высокотемпературного окисления композита системы SiC−Al₂O₃−ZrO₂ / А.Д. Панасюк, И.А. Подчерняева, А.П. Уманский, В.И. Дыбков, В.П. Коновал, В.А. Лавренко // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2012. — № 12. — С. 89-94. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT panasûkad kinetičeskieosobennostiizotermičeskogoineizotermičeskogovysokotemperaturnogookisleniâkompozitasistemysical2o3zro2 AT podčernâevaia kinetičeskieosobennostiizotermičeskogoineizotermičeskogovysokotemperaturnogookisleniâkompozitasistemysical2o3zro2 AT umanskijap kinetičeskieosobennostiizotermičeskogoineizotermičeskogovysokotemperaturnogookisleniâkompozitasistemysical2o3zro2 AT dybkovvi kinetičeskieosobennostiizotermičeskogoineizotermičeskogovysokotemperaturnogookisleniâkompozitasistemysical2o3zro2 AT konovalvp kinetičeskieosobennostiizotermičeskogoineizotermičeskogovysokotemperaturnogookisleniâkompozitasistemysical2o3zro2 AT lavrenkova kinetičeskieosobennostiizotermičeskogoineizotermičeskogovysokotemperaturnogookisleniâkompozitasistemysical2o3zro2 |
| first_indexed |
2025-07-06T12:32:14Z |
| last_indexed |
2025-07-06T12:32:14Z |
| _version_ |
1836900821274460160 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
12 • 2012
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 542.943:620.18
© 2012
А.Д. Панасюк, И.А. Подчерняева, А. П. Уманский,
В.И. Дыбков, В.П. Коновал, В. А. Лавренко
Кинетические особенности изотермического
и неизотермического высокотемпературного окисления
композита системы SiC−Al2O3−ZrO2
(Представлено академиком НАН Украины С.А. Фирстовым)
С помощью методов термогравиметрии, дифференциального термического анализа,
а также рентгенофазового, петрографического и рентгеноспектрального анализов ис-
следовано неизотермическое высокотемпературное окисление на воздухе (до 1600 ◦C)
керамики системы SiC−Al2O3−ZrO2. При изотермическом окислении (1350 ◦C) выде-
лены кинетические температурные участки линейного и параболического окисления.
При температуре 1000–1500 ◦C установлено образование силиката алюминия Al2SiO5
в верхнем слое окалины.
В ряду композиционных материалов, работающих в условиях экстремальных нагрузок
и температур, чрезвычайно перспективной является керамика системы SiC−Al2O3−ZrO2,
обладающая высоким уровнем триботехнических, физико-механических и коррозионных
свойств [1]. Материалы указанной системы эффективно используются также в виде по-
рошков для нанесения газотермических покрытий. В частности, детонационное покрытие
на стали из композиционного порошка на основе системы SiC−Al2O3−ZrO2 обеспечивает
в четыре раза более высокую износостойкость по сравнению с традиционным покрытием
из твердого сплава ВК-15 [2].
Высокий уровень физико-механических свойств керамики системы SiC−Al2O3−ZrO2
позволяет использовать ее в виде монолитных композитов антифрикционного назначения:
уплотнительных элементов для нефтеперекачивающих насосов, деталей высоконагружен-
ных узлов трения, стенок нагревательных котлов, уменьшающих потери тепла, огнеупор-
ных кирпичей, а в горной промышленности — для изготовления колец, через которые дви-
жется порода.
Высокотемпературное окисление на воздухе керамики системы SiC−Al2O3−ZrO2 сопро-
вождается следующими последовательными реакциями:
SiC + 2O2 = SiO2 +CO2, (1)
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №12 89
Al2O3 + SiO2 → Al2O3(SiO2) (твердый раствор), (2)
Al2O3 + SiO2 = Al2SiO5 (силикат алюминия). (3)
Целью настоящей работы является исследование прироста массы на единицу поверх-
ности образцов и тепловыделения при их высокотемпературном окислении на воздухе при
атмосферном давлении, а также изменений состава и структуры поверхности для керами-
ки системы SiC−Al2O3−ZrO2.
Методика и материалы. Исходные керамические образцы размером 10 × 10 × 10 мм
получали методом порошковой металлургии. При этом образцы подвергали специальной
механической обработке с целью удаления наружного дефектного слоя. Образцы с порис-
тостью 2–3% окисляли на воздухе при их постепенном нагреве до температуры 1600 ◦C;
прирост массы и тепловые эффекты взаимодействия фиксировали в соответствующих тем-
пературных интервалах TG- и DTA-методами.
Перед началом опыта (подачей воздуха) стеклянную систему установки откачивали,
затем очищали от адсорбированных газов продуванием аргона при атмосферном давлении.
Образцы керамики подвергали окислению на воздухе в изотермических условиях, в част-
ности, в течение двух часов при температуре 1350 ◦С, автоматически фиксируя величину
прироста массы на единицу площади поверхности образца, а также в неизотермических
условиях при скорости нагрева образца 28 град/мин. Оба вида исследований проводили на
дериватографе французской фирмы Setaram.
Металлографические, микроструктурные и рентгеноспектральные исследования как ис-
ходной, так и окисленных в лабораторных условиях поверхностей проводили с использова-
нием прибора CAMEBAX SX-50. Рентгенофазовый анализ продуктов окисления проводили
на дифрактометре ДРОН-3 (Cu Кα-излучение).
Образование силиката алюминия Al2SiO5 на поверхности окисленных образцов иденти-
фицировали петрографически при использовании минералогического микроскопа МИН-7
и набора стандартных иммерсионных жидкостей с известными коэффициентами прелом-
ления. Для силикатной фазы Al2SiO5 ромбической сингонии с массовым содержанием 62%
Al2O3 и 37,1% SiO2 коэффициенты преломления составляли np = 1,659, ng = 1,680 и nm =
= 1,660.
Результаты исследования и их обсуждение. Исходную кинетическую зависимость
при температуре 1350 ◦C в координатах: ∆m/S — прирост массы керамического образца
на единицу площади его поверхности; τ — время, приведенное на рис. 1, а, можно разде-
лить на три области. Как видно из рис. 1, б, начальная область этой зависимости (от 0
до ∼40 мин) является линейной ∆m/S = klτ с константой kl = 4,4 · 10−2 мг/(см2
· мин) =
= 7,4 · 10−6 кг/(м2
· с). Далее следует переходная область (∼40–80 мин), а за нею (∼80–
200 мин) — параболическая (∆m/S)2 = 2kpτ с kp = 5,04 · 10−2 мг2/(см4
· мин) =
= 8,3 ·10−8 кг2/(м4
·с)(см. в на рис. 1). Такая зависимость является типичной в случае, ког-
да в начальный период времени (при малой толщине слоя химического соединения) общая
скорость взаимодействия фаз ограничивается скоростью реакции на их границе раздела,
а затем по мере утолщения слоя лимитирующей становится скорость диффузии реагирую-
щих частиц сквозь его объем [3].
Результаты неизотермического окисления того же образца до 1600 ◦С при скорости на-
грева 20 град/мин (рис. 2) подтверждают исключительно высокую устойчивость к оки-
слению образца исследуемой керамики SiC−Al2O3−ZrO2 (суммарное значение величины
∆m/S = 8,9 мг/см2).
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №12
Рис. 1. Кинетические зависимости, полученные при изотермическом окислении на воздухе керамики сис-
темы SiC−Al2O3−ZrO2 при 1350 ◦С: а — общий вид кривой окисления; б — начальная линейная скорость
окисления образца; в — конечная параболическая зависимость скорости окисления образца
При этом данные TG- и DTA-анализа (см. рис. 2) однозначно свидетельствуют о двух
различных механизмах процесса: при температуре от 500 до 900 ◦С один механизм процес-
са окисления и максимальная скорость реакции окисления при 760 ◦С (первый пик DTA
на соответствующей кривой); при температуре от 900 до 1600 ◦С с другой максимальной
скоростью реакции окисления при 1500 ◦С (второй пик DTA).
С помощью рентгеноспектрального и петрографического анализов окалины на образ-
цах, окисленных в изотермических условиях при 760 и 1500 ◦С, установлено, что окисление
здесь осуществляется по реакциям (1) с образованием α-кристобалита (3); в результате
последней образуется силикат алюминия. При этом поверхностная пленка на окисленном
до 1500 ◦С образце состоит из четырех фаз: оксидов α-SiO2, α-Al2O3, ZrO2 и силиката алю-
миния Al2SiO5 (структура силлиманита ромбической сингонии). Распределение элементов
O, Si, Al и Zr в образующейся оксидной пленке показано на рис. 3.
В результате высокотемпературного окисления на поверхности образцов керамики сис-
темы SiC−Al2O3−ZrO2 формируется композиционный материал на основе силиката алю-
миния Al2SiO5, образующийся по реакциям (1) и (3). Кроме Al2SiO5, в окалине в меньшем
количестве присутствуют оксиды α-SiO2, α-Al2O3 и ZrO2. Такой композиционный мате-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №12 91
Рис. 2. TG- (1 ) и DTA-кривые (2 ) неизотермического (до 1600 ◦C) окисления на воздухе керамики системы
SiC−Al2O3−ZrO2
Рис. 3. Распределение элементов в оксидной пленке, образующейся при окислении керамики системы
SiC−Al2O3−ZrO2: а — Si, O; б — Al, O; в — Zr, O
риал имеет характерную самоармированную структуру. Структуры подобного типа обла-
дают повышенным уровнем физико-механических свойств. В частности, образующиеся при
высокотемпературной коррозии оксидные и силикатные фазы выполняют роль барьера,
92 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №12
Рис. 4. Дифрактограмма окисленной при 1600 ◦C поверхности образца системы SiC−Al2O3−ZrO2
препятствующего диффузии кислорода в глубь образца. Следовательно, образование на
поверхности окисленного композита защитного слоя силиката алюминия обеспечивает его
высокую устойчивость к высокотемпературной коррозии.
Наружный защитный слой окалины толщиной ∼180 мкм (без пор и трещин) имеет са-
моармированную тонкодисперсную дискретную структуру, характерную как для муллитов,
так и для оксида алюминия. Именно такая структура образуется при нагреве на воздухе
композита SiC−Al2O3−ZrO2 до 1500 ◦С в результате диффузии реагентов из объема мате-
риала к поверхности с образованием силиката алюминия по реакциям (1) и (3). Это согла-
суется с данными РФА и МРСА.
Характер распределения элементов (Al, Si, Zr, O) в поперечном сечении окисленного
образца (см. рис. 3) подтверждает формирование многослойной структуры окалины с тре-
мя характерными слоями, отличающимися составом. Наружный слой толщиной ∼180 мкм
характеризуется повышенным содержанием Al и наименьшим — Zr, по сравнению с ниже-
лежащими слоями. При этом совпадение концентрационных пиков Al, O и Si указывает на
наличие в слое фазы силиката алюминия, что подтверждается РФА поверхности (рис. 4).
Таким образом, при высокотемпературном окислении композиционной керамики систе-
мы SiC−Al2O3−ZrO2 в среде воздуха при температуре до 1600 ◦С образуется трехслойная
окалина без трещин с изменяющимися по глубине составом и структурой.
Наружный защитный слой окалины толщиной ∼180 мкм, состоящий из силиката алю-
миния Al2SiO5 и имеющий тонкодисперсную дискретную волокнистую структуру, обладает
высокой коррозионной стойкостью и способствует повышению уровня служебных характе-
ристик исследованной керамики.
1. Panasyuk A.D., Neshpor I. P., Umansky A.P. The influenсe of phases on the structure formation and
properties of SiC-based ceramics // High Temp. and Mater. Sci. – 1995. – 34. – P. 1–6.
2. Шишковский И.В., Щербаков В.И., Петров А.Л. Лазерный синтез огнеупорной керамики из порош-
ков Al и ZrO 2 // Физика и химия обработки материалов. – 2001. – № 3. – С. 45–48.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №12 93
3. Dybkov V. I. Reaction diffusion and solid state chemical kinetics. – Zürich: Trans. Tech. Publ., 2010. –
334 p.
Поступило в редакцию 31.05.2012Институт проблем материаловедения
им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев
А.Д. Панасюк, I. О. Подчерняєва, О.П. Уманський, В. I. Дибков,
В.П. Коновал, В.О. Лавренко
Кiнетичнi особливостi iзотермiчного i неiзотермiчного
високотемпературного окиснення композита системи
SiC−Al2O3−ZrO2
За допомогою методiв термогравiметрiї, диференцiального термiчного аналiзу, а також
рентгенофазового, петрографiчного та рентгеноспектрального аналiзiв дослiджено неi-
зотермiчне високотемпературне окиснення на повiтрi (до 1600 ◦C) керамiки системи
SiC−Al2O3−ZrO2. При iзотермiчному окисненнi (1350 ◦C) видiлено кiнетичнi температурнi
дiлянки лiнiйного та параболiчного окиснення. При температурах 1000–1500 ◦C встановлено
утворення силiкату алюмiнiю Al2SiO5 у верхньому шарi окалини.
A.D. Panasyuk, I. A. Podchernyaeva, A. P. Umanskyi, V. I. Dybkov,
V.P. Konoval, V. A. Lavrenko
Kinetic peculiarities of isothermal and non-isothermal high-temperature
oxidation of SiC−Al2O3−ZrO2 composite
With the use of thermogravimetry, TG, DTA, XRD petrographic, and EPMA methods, the non-
isothermal high-temperature oxidation in air (up to 1600 ◦C) of SiC−Al2O3−ZrO2 ceramics has
been studied. At 1350 ◦C, the linear and parabolic sections of oxidation kinetics have been observed.
At 1000–1500 ◦C, it has been established that, in the upper scale layer, the formation of Al2SiO5
aluminum silicate occurs.
94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №12
|