eng
Выпуск #2/2022
М. А.Шейндлин, М. В. Брыкин, Т. В. Бгашева, А. А. Васин, П. С. Вервикишко, С. В. Петухов, А. М. Фролов
Сверхтугоплавкие карбиды при воздействии излучения мощного технологического лазера
Сверхтугоплавкие карбиды при воздействии излучения мощного технологического лазера
Просмотры: 1095
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.142.154
Выполнено экспериментальное исследование поведения сверхтугоплавкого высокоплотного карбида циркония в окислительной среде (воздух). Разработана и создана специальная экспериментальная установка, включающая мощный технологический лазер для создания на поверхности карбида циркония тепловых потоков, которые позволяют изучать образование слоя окисла в широком диапазоне темпов нагрева. Применение высокоскоростной видеосъемки в отраженном свете в сочетании с многоканальной пирометрией позволило выяснить основные особенности формирования слоя окисла при различных режимах нагрева. С помощью электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа и рамановской спектроскопии подробно изучена зона воздействия лазерного излучения в окислительной среде.
Выполнено экспериментальное исследование поведения сверхтугоплавкого высокоплотного карбида циркония в окислительной среде (воздух). Разработана и создана специальная экспериментальная установка, включающая мощный технологический лазер для создания на поверхности карбида циркония тепловых потоков, которые позволяют изучать образование слоя окисла в широком диапазоне темпов нагрева. Применение высокоскоростной видеосъемки в отраженном свете в сочетании с многоканальной пирометрией позволило выяснить основные особенности формирования слоя окисла при различных режимах нагрева. С помощью электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа и рамановской спектроскопии подробно изучена зона воздействия лазерного излучения в окислительной среде.
Теги: high temperatures laser heating optical pyrometry zirconium carbide zirconium dioxide высокие температуры диоксид циркония карбид циркония лазерный нагрев оптическая пирометрия
Сверхтугоплавкие карбиды при воздействии излучения мощного технологического лазера
М. А. Шейндлин, М. В. Брыкин, Т. В. Бгашева, А. А. Васин, П. С. Вервикишко, С. В. Петухов, А. М. Фролов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия
Выполнено экспериментальное исследование поведения сверхтугоплавкого высокоплотного карбида циркония в окислительной среде (воздух). Разработана и создана специальная экспериментальная установка, включающая мощный технологический лазер для создания на поверхности карбида циркония тепловых потоков, которые позволяют изучать образование слоя окисла в широком диапазоне темпов нагрева. Применение высокоскоростной видеосъемки в отраженном свете в сочетании с многоканальной пирометрией позволило выяснить основные особенности формирования слоя окисла при различных режимах нагрева. С помощью электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа и рамановской спектроскопии подробно изучена зона воздействия лазерного излучения в окислительной среде.
Ключевые слова: карбид циркония, диоксид циркония, лазерный нагрев, оптическая пирометрия, высокие температуры
Статья получена: 24.01.2022
Статья принята: 01.02.2022
Введение
В настоящее время значительно вырос интерес к изучению поведения так называемых сверхтугоплавких соединений, или UHTC (Ultra High Temperature Ceramics), при воздействии высокоэнергетических потоков. Настоящий проект направлен на изучение стойкости материалов и покрытий, изготовленных из сверхтугоплавких карбидов переходных металлов, при воздействии концентрированных потоков энергии и связанную с этим разработку методов их испытаний в условиях экстремальных тепловых потоков и температур.
Карбиды переходных металлов являются наиболее тугоплавкими материалами из UHTC (они имеют температуры плавления в окрестности 4000 К и выше). Специалисты рассматривают их сегодня в качестве одного из наиболее перспективных классов материалов, способных выдержать высокие тепловые нагрузки в «безабляционном» режиме [1, 2]. Большинство из современных исследований (например, [2–3]) касаются в основном химико–технологических аспектов синтеза порошков требуемого состава и их дальнейшего высокотемпературного компактирования. Однако для создания материалов и покрытий, выдерживающих воздействие экстремальных потоков энергии, необходимо обеспечить решение цепочки взаимосвязанных задач: технология изготовления образцов материала заданного состава → изучение его свойств → испытание под воздействием высокоэнергетического потока. В настоящее время результаты изучения зависимости стойкости материалов от технологии их изготовления носят фрагментарный характер. Как правило, речь идет об исследованиях, в которых испытание изделия из спеченного порошка проводится в струе газа, нагретого в дуговом плазматроне [4]. При этом в большинстве работ отсутствует измерение температуры поверхности – важнейшего параметра, определяющего физико-химические процессы на поверхности. Это же относится и к измерениям характеристик падающего теплового потока. Поэтому сопоставление данных различных экспериментов является затруднительным. Даже в том эксперименте, когда температура поверхности испытуемого материала определялась [5], тепловой поток на поверхности оценивался весьма грубо.
Альтернативный подход – это использование мощных многокиловатных дисковых и волоконных технологических лазеров в качестве источника высокоэнергетического потока. Здесь можно относительно просто и весьма надежно определить плотность мощности, падающую на поверхность испытуемого материала. Важно, что использование лазерного нагрева позволяет проводить испытание материалов при тепловых потоках, недоступных для электродуговых подогревателей или газовых горелок и, что особенно важно, в условиях практически однородного распределения плотности мощности по пятну нагрева, что достигается применением световодов для «доставки» излучения к фокусирующей системе и применением специальной фокусирующей оптики. Кроме того, можно изменять мощность во времени произвольным программируемым способом, что значительно расширяет круг возможностей использования лазерного излучения для испытания материалов.
Важно отметить, что такие испытания можно проводить в различной газовой среде, а также в вакууме. В последнем случае удается получить важные сведения как о высокотемпературном выходе молекулярных продуктов, так и о молекулярном составе пара при высокотемпературном испарении материала [6, 7]. Использование мощного лазерного излучения для изучения поведения сверхтугоплавких керамик при экстремальном тепловом воздействии можно рассматривать как один из наиболее очевидных способов. Несмотря на это, в настоящее время говорить об отработанности такой технологии нельзя. В современной литературе содержатся единичные упоминания о соответствующих специально созданных установках, например [8].
При испытании материалов на такой установке [9] использование одного – двух стандартных пирометров является определенно недостаточным условием. Действительно, вопрос о достоверном измерении температуры поверхности в таких экспериментах является первоочередным: здесь использование яркостной (монохроматической) пирометрии приводит к большим ошибкам, в основном из-за неизвестного значения излучательной способности материала при высокой температуре в условиях сложных процессов на поверхности – например плавления или химической реакции. Использование бихроматического (цветового) пирометра, который, по мнению ряда авторов [6], позволяет более точно определить истинную температуру (что, по меньшей мере, недостаточно обоснованно) приводит к существенным и трудно прогнозируемым ошибкам. Если в случае изучения углеродных материалов, являющихся достаточно «серыми» излучателями, бихроматическая пирометрия не приводит к фатальным ошибкам, то для карбидных и нитридных материалов ошибка при температурах, близких к температурам плавления этих веществ, может достигать сотен единиц кельвинов.
Альтернативным методом определения температуры является полихроматическая (многоканальная) пирометрия, использованная авторами для исследования фазовых диаграмм сверхтугоплавких карбидов [9] и плавления тугоплавких оксидных керамик [10].
Здесь важно отметить, что с помощью полихроматической пирометрии одновременно определяется истинная температура и излучательная способность в широком диапазоне длин волн, примерно от 450 до 900 нм. Последнее позволяет надежно экстраполировать ее значение в область около 1 000 нм, что соответствует длинам волн современных мощных дисковых и волоконных лазеров «технологического класса» и, таким образом, отслеживать изменение поглощательной способности материала на лазерной длине волны, что важно для правильной интерпретации результатов измерений.
Очевидно, что основным процессом деградации твердых высокотемпературных карбидов при высоких температурах в окислительной среде является образование слоя окисла на поверхности, толщина и структура которого определяется многими факторами. Среди них: температура, длительность нагрева, особенности динамики нагрева, структура и стехиометрия исходного карбида. Говоря о карбидах, в частности о карбиде циркония, которому посвящена настоящая работа, необходимо отметить, что процессу окисления – образованию окиси циркония на поверхности карбида циркония – посвящено большое число работ (см. [11]). Как правило, они выполнены в «идеальных», хорошо контролируемых условиях окисления: образец размещен в камере, в которой поддерживается определенная температура и газовая среда с заданным парциальным давлением кислорода. После образования оксида на поверхности образца из ZrC проводится подробный анализ зоны химического превращения с помощью различных аналитических методов. Здесь особое внимание необходимо уделить недавней работе [12], выполненной с использованием такой методологии. Температура в таких экспериментах обычно не превышает 1 500 К (то есть лишь на несколько сотен градусов превосходит температуру начала активного окисления ZrC), а время процесса составляет от десятков минут до часов. Толщина оксидной пленки при этом превышает сотни микрон. Такие эксперименты позволяют довольно глубоко изучить кинетику окисления и некоторые элементарные процессы, протекающие вблизи границы карбид-оксид. Однако возможность их применения к прогнозированию поведению карбида циркония при воздействии высокоэнергетического потока в окислительной среде нуждается в дополнительном подтверждении.
Таким образом, целью настоящей работы явилось изучение особенностей поведения карбида циркония различного состава из области гомогенности (твердого раствора) при воздействии лазерного излучения в окислительной среде (воздух). При этом эксперименты проводились с разной длительностью нагрева, а максимальная температура нагрева оставалась постоянной.
Метод и аппаратура
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Образец из карбида циркония диаметром около 5 мм и толщиной 1,5 мм, изготовленный по технологии, описанной ниже, находился в потоке воздуха, направленном перпендикулярно поверхности со скоростью около 1 м / с для исключения влияния свободной конвекции на картину формирования оксида на поверхности образца. Нагрев осуществлялся с помощью дискового лазера, при этом использовались три режима нагрева с различной скоростью нарастания температуры и соответственно длительностью (рис. 2).
Точное время эксперимента в каждом отдельном «выстреле» определялась временем достижения температуры 2 530 К, контролируемой яркостным пирометром. Пятно визирования пирометров составляло около 0,3 мм. Таким образом, измерялась температура изотермической зоны в центре образца. Яркостный пирометр позволял измерять яркостную температуру, начиная примерно с 1 200 К, тогда как спектропирометр, работающий в спектральном диапазоне 400–900 нм с постоянной времени 1,5 мс, позволял уверенно измерять истинную температуру начиная с 2 000 К. Оба пирометра были специально разработаны для экспериментов с лазерным нагревом и дополнительно адаптированы к данным темпам нагрева и температурному диапазону.
Калибровка спектропирометра осуществлялась до температуры 3 300 К с использованием высокотемпературной модели черного тела, истинная температура которой измерялась прецизионным пирометром CHINO IR-RST 65H. Основные принципы измерения истинной температуры и спектральной излучательной способности с помощью спектропирометра изложены в [11, 13].
Контроль за процессами на поверхности, происходящими в ходе эксперимента, осуществлялся с помощью высокоскоростной видеокамеры с частотой 2 000 кадров в секунду при пространственном разрешении около 900 × 900 пикселов. В связи с тем, что интенсивность собственного излучения в процессе нагрева изменялась на несколько порядков, применение видеорегистрации поверхности в собственном изучении было нецелесообразным. Поэтому поверхность образца равномерно освещалась излучением диодного лазера на длине волны 808 нм, а перед камерой был установлен соответствующий фильтр, что позволяло осуществлять видеосъемку в отраженном свете при полном блокировании собственного излучения поверхности вплоть до максимальной температуры.
Отраженное излучение лазера на длине волны 808 нм существенно превышающее фон теплового излучения, уверенно регистрировалось спектропирометром (см. характерный спектр на рис. 3). Регистрируемый таким образом отраженный сигнал хотя и не прямо связан с направленно-полусферической отражательной способностью в связи с изменением углового распределения отраженного излучения в ходе эксперимента, однако позволяет получить дополнительную качественную информацию о процессах, протекающих на нагреваемой поверхности.
Подготовка образцов нестехиометрического карбида циркония
В связи с тем, что карбид циркония ZrCx (x < 1) представляет собой вещество с широкой областью гомогенности с вакансиями в неметаллической подрешетке, представляется интересным исследовать процесс высокоэнергетического воздействия на этот карбид с разными параметрами стехиометрии х. Для этого были изготовлены образцы трех составов со значениями х = 0,98, 0,9 и 0,77. Среди особых требований, предъявляемых к образцам: отсутствие значительного количества примесей в материале, его гомогенность, низкая пористость. Исходный порошок карбида циркония получался по методу самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Данная технология была выбрана из-за возможности получения более чистых образцов по сравнению с методами карботермического восстановления оксидов и другими методами. Для синтеза карбида циркония навески порошков циркония (марка ПЦРК‑1) и ацетиленовой сажи смешивались в шаровой мельнице, после чего в полученную смесь вводилась временная технологическая связка – цетан. Из полученной смеси прессовались цилиндрические заготовки для синтеза. Затем временная технологическая связка удалялась при нагреве в высокотемпературной вакуумной печи. Далее печь заполнялась аргоном, и температура повышалась до 1 673 K для осуществления реакции синтеза карбида.
Для получения образцов с низкой пористостью синтезированный карбид циркония диспергировался в планетарной мельнице. Измельченный порошок после отмывки от материала мелющих тел спекался в установке горячего прессования с индукционным нагревом при температуре 2 130 К и давлении 60 МПа. Толщина спеченных образцов составляла обычно около 2 мм при диаметре около 12 мм, что определялось внутренним диаметром графитовой пресс-формы горячего пресса. Спеченный образец обрабатывался на шлифовальном станке для удаления графита и уменьшения толщины образца до 1,5 мм.
Затем образец карбида циркония подвергался лазерно-эрозионной обработке для получения из него 3‑х уменьшенных образцов диаметром 5 мм (рис. 3), после чего эти образцы повторно шлифовались. В результате получались три образца карбида циркония диаметром 5 мм и толщиной 1,5 мм с одинаковыми характеристиками (плотность, состав), необходимые для проведения серий испытаний в разных режимах нагрева.
Содержание углерода в образцах карбида циркония определялось методом динамической вспышки на элементном анализаторе Combustion Master CS (NCS, Германия); содержание кислорода и азота – методом восстановительного плавления на элементном анализаторе Fusion Master ON (NCS, Германия). Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов карбида циркония проводился на дифрактометре SmartLab SE (Rigaku, Япония) с использованием Cu Kα-излучения. На дифрактограммах (рис. 4) присутствуют только рефлексы, соответствующие фазе карбида циркония. Общие характеристики образцов представлены в табл. 1.
Результаты экспериментов
Эксперименты проводились на образцах карбида циркония трех различных составов: ZrC0.77, ZrC0.9, ZrC0.98. Образец диаметром 5 мм устанавливался в графитовый держатель. Поверхность образца обдувалась слабым потоком воздуха. Излучение мощного дискового и диодного лазера фокусировалось на поверхность исследуемого образца, причем диаметры пятен фокусировки были близки к диаметру образца. Эксперименты с образцами каждого состава проводились с различными темпами нагрева, показанными на рис. 2. При этом темп роста температуры на поверхности составлял соответственно 700–1 000 К / с, 2 000–3 800 К / с и 8 500–12 000 К / с. Путем аппроксимации спектров теплового излучения поверхности образца (рис. 5) произведением функции Планка и излучательной способности рассчитывались значения истинной температуры поверхности и спектральной излучательной способности в предположении, что в относительно узком диапазоне длин волн излучательная способность не зависит от длины волны (приближение серого тела).
Аппроксимация осуществлялась в двух диапазонах длин волн (730–790 нм и 820–870 нм), чтобы исключить из рассмотрения влияние излучения диодного лазера. С учетом того, что, как будет показано ниже, значительный слой оксида циркония уже образуется на поверхности к моменту достижения нижнего температурного предела для спектропирометра (а это примерно 2000 К), приближение серого тела для оксида циркония выглядит достаточно адекватно [14].
На рис. 6 показаны результаты типичного эксперимента с длительностью нагрева около 1,5 с для образца с минимальным содержанием углерода. Спектральная излучательная способность в диапазоне длин волн, используемых для нелинейной подгонки (730–870 нм) в области температур, регистрируемых спектропирометром, лежит в диапазоне около 0,6–0,75. Это достаточно хорошо соответствует измерениям, выполненным в [16] в условиях лазерного нагрева массивного образца из двуокиси циркония, стабилизированной окисью иттрия. На начальном этапе нагрева отмечается резкое снижение отражения поверхностью образца, которое начинается при температуре в окрестности 1 000 К. Указанная температура, согласно [12, 13], находится в хорошем соответствии с температурой, при которой начинается активное окисление карбида циркония. Отражательная способность двуокиси циркония при этой температуре является весьма высокой [17] и сравнима с отражательной способностью карбида циркония. Несмотря на это, тонкая пленка окисла, возникающая на поверхности, скорее всего представляет собой субстехиометрический оксид, который имеет весьма низкую отражательную способность. Регистрация процесса нагрева с помощью скоростной видеокамеры также подтверждает резкое потемнение поверхности, облучаемой лазером. Вблизи момента времени А (см. рис. 6) излучательная способность и сигнал отражения демонстрируют особенность, которая хорошо видна на термограмме нагрева. Соответствующая ей температура, около 2 600 К, близка к известному переходу диоксида циркония из моноклинной фазы в кубическую.
Такое поведение образцов из ZrCx качественно наблюдалось для всех трех исходных стехиометрических составов и проявлялось в экспериментах, выполненных с различными скоростями нагрева. При нагреве с более низкой скоростью и, следовательно, с более медленным темпом изменения температуры толщина слоя двуокиси циркония была максимальной – порядка 20 мкм. При нагреве со средней скоростью (см. рис. 2) толщина слоя была около 10 мкм, и при самом быстром нагреве – около 5 мкм.
После проведения эксперимента образцы исследовались различными методами. На рис. 7 приведена рентгеновская дифрактограмма поверхности образца после эксперимента, снятая с помощью дифрактометра SmartLab SE. Оказалось, что образованное на поверхности покрытие белого цвета соответствует моноклинному ZrO2.
Спектры рамановского рассеяния модифицированной поверхности исходных карбидных образцов были получены с помощью рамановского микроскопа M532, обладающего высоким пространственным и спектральным разрешением. На рис. 8 показан рамановский спектр окисной пленки, образовавшейся на поверхности карбида циркония, в сравнении с высокочистым порошком двуокиси циркония. Полученные спектры комбинационного рассеяния не зависели от исходного стехиометрического состава образцов из карбида циркония и хорошо соответствовали порошку из чистого ZrO2. Полученный спектр комбинационного рассеяния соответствовал моноклинной фазе ZrO2 в соответствии с данными [18].
Таким образом, оказалось, что в диоксиде циркония, образовавшемся на поверхности карбида циркония при интенсивном лазерном нагреве, обнаружена только моноклинная фаза, хотя в работе [13], наряду с моноклинной фазой, были обнаружены как тетрагональная, так и кубическая фаза. Выяснение этого вопроса предполагается осуществить в ходе дальнейших исследований.
Для определения толщины и структуры области термохимического преобразования поверхности карбида циркония в диоксид циркония был выполнен СЭМ-анализ зоны поверхности, подвергнутой нагреву. На рис. 9 показано СЭМ-изображение скола, перпендикулярного поверхности образца. На левом снимке цветными линиями показаны различные зоны: поверхность образца; зона скола – исходный материал образца ZrC0,77; 1 – переходная зона карбидного материала; 2 – образовавшийся оксид. Справа – зоны 1 и 2 при большем увеличении.
Распределение элементов в окрестности зоны окисления изучено с помощью СЭМ-ЭДС анализа шлифа, выполненного перпендикулярно поверхности образца. Результаты такого анализа представлены на рис. 10. Оказалось, что окисленная область имеет весьма четкую границу раздела с исходным карбидом. На рисунке 10a показан шлиф, сделанный перпендикулярно поверхности образца с указанием области элементного ЭДС-картирования – A и направления сканирования распределения элементов – B. Из рис. 10b и 10d следует, что распределение кислорода в приповерхностном слое толщиной около 20 мкм весьма однородно. Ему соответствует меньшая по сравнению с исходным образцом плотность циркония в этом слое (см. рис. 10b и 10с). В целом распределение как циркония, так и кислорода весьма однородно как в исходной зоне карбида, так и в окисле. Во всех режимах лазерного воздействия и для всех рассмотренных составов образцов отмечается плотное прилегание оксидного слоя к исходному карбиду. Таким образом, возможно, что образующийся оксидный слой будет эффективно препятствовать окислительной деградации карбида циркония при определенных режимах нагрева.
Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Госкорпорации «Росатом» в рамках научного проекта № 20-21-00115.
REFERENCES
Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz B., Talmy I. UHTC: ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications. The Electrochemical Society Interface. 2007; 16(4): 30–36. DOI:10.1149/2.F04074IF.
Zeng Y., Wang D., Xiong X., Zhang X., Withers P. J., Sun W. et al. Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3000 °C. Nature Communications. 2017; 8(1): 15836. DOI:10.1038/ncomms15836.
Eremin S. A., Anikin V. N., Sinitsyn D. Yu., Gus’kov V.N., Yudin A. G. Investigation of the process of formation of hafnium carbide on carbon-carbon composite material in the system HfCl4–CH4–Ar. Refractories and Industrial Ceramics. 2017; 58(2): 233–238. DOI:10.1007/s11148-017-0086‑z
Gaballa O. G. Processing development of 4TaC-HfC and related carbides and borides for extreme environments. [Doctor of Philosophy] [Ames]: Iowa State University, Digital Repository; 2012. DOI:10.31274/etd‑180810–965.
Nieto A., Kumar A., Lahiri D., Zhang C., Seal S., Agarwal A. Oxidation behavior of graphene nanoplatelet reinforced tantalum carbide composites in high temperature plasma flow. Carbon. 2014; 67: 398–408. DOI:10.1016/j.carbon.2013.10.010.
Evdokimenko Ju., Frolov G., Kisel’ V., Buchakov S., Grigor’ev O., Podchernjaeva I., Neshpor I., Cyganenko V. Thermoerozion tests of Ultra-high-temperature ceramic coatings on carbon–carbon composite substrates. III international scientific-technical conference “INNOVATIONS”. 2017; 216–219
Евдокименко Ю., Фролов Г., Кисель В., Бучаков С., Григорьев О., Подчерняева И., Нешпор И., Цыганенко В. Термоэрозионные испытания покрытий на основе ультравысокотемпературной керамики на подложках из композиционного углерод-углеродного материала. III Международный научный конгресс «Инновации». 2017; 216–219
Frolov A. M., Petukhov S. V., Faliakhov T. M., Sheindlin M. A. Mass-spectrometric analysis of laser induced evaporation of tantalum carbide up to 4900 K. Vestnik Ob’edinennogo instituta vysokikh temperatur. 2018; 1(1): 43–46. DOI:10.33849/2018110.
Фролов А. М., Петухов С. В., Фаляхов Т. М., Шейндлин М. А. Масс-спектрометрический анализ лазерно-индуцированного испарения карбида тантала до 4900 К. Вестник Объединенного института высоких температур. 2018; 1(1): 43–46. DOI:10.33849/2018110.
Sheindlin M., Frolov A., Petukhov S., Bottomley D., Masaki K., Manara D. et al. Mass spectrometric study of the laser-evaporated Fe–Zr–O system up to 3300 K. Journal of the American Ceramic Society. 2022; 105(3): 2161–2170. DOI:10.1111/jace.18185
Jankowiak A., Justin J. F. Ultra high temperature ceramics for aerospace applications. ODAS 2014. 2014. www.hal.archives-ouvertes.fr/hal‑01103216
Sheindlin M., Falyakhov T., Petukhov S., Valyano G., Vasin A. Recent advances in the study of high-temperature behaviour of non-stoichiometric TaC x, HfC x and ZrC x carbides in the domain of their congruent melting point. Advances in Applied Ceramics. 2018; 117(sup1): s48‑s55. DOI:10.1080/17436753.2018.1510819.
Bgasheva T., Falyakhov T., Petukhov S., Sheindlin M., Vasin A., Vervikishko P. Laser-pulse melting of calcium oxide and some peculiarities of its high-temperature behavior. Journal of the American Ceramic Society. 2021; 104(7): 3461–3477. DOI:10.1111/jace.17676
Pierrat B. Oxidation of an ultra high temperature ceramic: zirconium carbide. [Master Thesis] Luleå University of Technology; 2010. www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1028975/FULLTEXT01.pdf
Gasparrini C., Podor R., Horlait D., Chater R., Lee W. E. Zirconium carbide oxidation: maltese cross formation and interface characterization. Oxidation of Metals. 2017; 88(3–4): 509–519. DOI:10.1007/s11085-016-9672-6.
Sheindlin M., Ronchi C., Heinz W. Recent advances in high-speed polychromatic pyrometry. Proceedings of 9th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Science and Industry; Budapest: IMEKO; 2004: 545–550.
Petrov V. A. Thermoradiation characteristics of refractory oxides upon heating by concentrated laser radiation. High Temperature. 2016; 54(2): 186–196. DOI:10.1134/S0018151X16020140.
Петров В. А. Терморадиационные характеристики тугоплавких оксидов при нагреве концентрированным лазерным излучением. Теплофизика высоких температур. 2016; 54(2): 197–209. DOI:10.7868/S0040364416020150.
Petrov V., Vorobyev A., Chernyshev A. Thermal radiation and optical properties of cubic zirconia stabilised with yttria up to the temperature of high rate evaporation. High Temperatures-High Pressures. 2002; 34(6): 657–668. DOI:10.1068/htjr077.
Latiev LN, Petrov VA, Chekhovskoy VY, Shestakov EN. Izluchatelnyie harakteristiki metallov (Radiative characteristics of metals). In: Sheindlin AE, editor. Izluchatelnyie svoistva tvyordykh materialov (Radiative properties of solid materials). – Moscow: Energia, 1974: 438–445.
Латыев Л. Н., Петров В. А., Чеховской В. Я., Шестаков Е. Н. Излучательные характеристики металлов. В: Излучательные свойства твердых материалов: справочник. Под ред. А. Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974. 470 с.
Bauer A. J.R. ZrO2 Phase identification with Raman Spectroscopy. Raman‑020 rev. A. 2018. www.tsi.com/getmedia/9834a4f0-278e‑4fe4-8012-8723a3fe1d06/Identification_of_ZrO2_Phase_w_Raman_Spectroscopy_App_Note_RAMAN‑020_US-web?ext=.pdf
ОБ АВТОРАХ
Шейндлин Михаил Александрович, д. ф.‑ м. н., зав. лаб., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
E-mail: sheindlin@yandex.ru
ORCID: 0000-0002-4960-7757
Брыкин Михаил Владимирович. к. ф.‑ м. н., с. н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
E-mail: mbrykin@gmail.com
ORCID: 0000–0002–8046–888Х
Бгашева Татьяна Владимировна, м. н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-5258-0153
Васин Андрей Андреевич, вед. инж., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия. E-mail: av65536@gmail.com
ORCID:0000-0002-2384-7090
Вервикишко Павел Сергеевич, н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия. E-mail: pvervikishko@gmail.com
ORCID: 0000-0002-4527-6524
Петухов Сергей Владимирович, вед. инженер, лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
E-mail: petuhov.sergey@bk.ru
ORCID: 0000-0003-3852-1314
Фролов Александр Михайлович, н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия. E-mail: matotz@gmail.com
ORCID: 0000-0002-3091-9451
М. А. Шейндлин, М. В. Брыкин, Т. В. Бгашева, А. А. Васин, П. С. Вервикишко, С. В. Петухов, А. М. Фролов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия
Выполнено экспериментальное исследование поведения сверхтугоплавкого высокоплотного карбида циркония в окислительной среде (воздух). Разработана и создана специальная экспериментальная установка, включающая мощный технологический лазер для создания на поверхности карбида циркония тепловых потоков, которые позволяют изучать образование слоя окисла в широком диапазоне темпов нагрева. Применение высокоскоростной видеосъемки в отраженном свете в сочетании с многоканальной пирометрией позволило выяснить основные особенности формирования слоя окисла при различных режимах нагрева. С помощью электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа и рамановской спектроскопии подробно изучена зона воздействия лазерного излучения в окислительной среде.
Ключевые слова: карбид циркония, диоксид циркония, лазерный нагрев, оптическая пирометрия, высокие температуры
Статья получена: 24.01.2022
Статья принята: 01.02.2022
Введение
В настоящее время значительно вырос интерес к изучению поведения так называемых сверхтугоплавких соединений, или UHTC (Ultra High Temperature Ceramics), при воздействии высокоэнергетических потоков. Настоящий проект направлен на изучение стойкости материалов и покрытий, изготовленных из сверхтугоплавких карбидов переходных металлов, при воздействии концентрированных потоков энергии и связанную с этим разработку методов их испытаний в условиях экстремальных тепловых потоков и температур.
Карбиды переходных металлов являются наиболее тугоплавкими материалами из UHTC (они имеют температуры плавления в окрестности 4000 К и выше). Специалисты рассматривают их сегодня в качестве одного из наиболее перспективных классов материалов, способных выдержать высокие тепловые нагрузки в «безабляционном» режиме [1, 2]. Большинство из современных исследований (например, [2–3]) касаются в основном химико–технологических аспектов синтеза порошков требуемого состава и их дальнейшего высокотемпературного компактирования. Однако для создания материалов и покрытий, выдерживающих воздействие экстремальных потоков энергии, необходимо обеспечить решение цепочки взаимосвязанных задач: технология изготовления образцов материала заданного состава → изучение его свойств → испытание под воздействием высокоэнергетического потока. В настоящее время результаты изучения зависимости стойкости материалов от технологии их изготовления носят фрагментарный характер. Как правило, речь идет об исследованиях, в которых испытание изделия из спеченного порошка проводится в струе газа, нагретого в дуговом плазматроне [4]. При этом в большинстве работ отсутствует измерение температуры поверхности – важнейшего параметра, определяющего физико-химические процессы на поверхности. Это же относится и к измерениям характеристик падающего теплового потока. Поэтому сопоставление данных различных экспериментов является затруднительным. Даже в том эксперименте, когда температура поверхности испытуемого материала определялась [5], тепловой поток на поверхности оценивался весьма грубо.
Альтернативный подход – это использование мощных многокиловатных дисковых и волоконных технологических лазеров в качестве источника высокоэнергетического потока. Здесь можно относительно просто и весьма надежно определить плотность мощности, падающую на поверхность испытуемого материала. Важно, что использование лазерного нагрева позволяет проводить испытание материалов при тепловых потоках, недоступных для электродуговых подогревателей или газовых горелок и, что особенно важно, в условиях практически однородного распределения плотности мощности по пятну нагрева, что достигается применением световодов для «доставки» излучения к фокусирующей системе и применением специальной фокусирующей оптики. Кроме того, можно изменять мощность во времени произвольным программируемым способом, что значительно расширяет круг возможностей использования лазерного излучения для испытания материалов.
Важно отметить, что такие испытания можно проводить в различной газовой среде, а также в вакууме. В последнем случае удается получить важные сведения как о высокотемпературном выходе молекулярных продуктов, так и о молекулярном составе пара при высокотемпературном испарении материала [6, 7]. Использование мощного лазерного излучения для изучения поведения сверхтугоплавких керамик при экстремальном тепловом воздействии можно рассматривать как один из наиболее очевидных способов. Несмотря на это, в настоящее время говорить об отработанности такой технологии нельзя. В современной литературе содержатся единичные упоминания о соответствующих специально созданных установках, например [8].
При испытании материалов на такой установке [9] использование одного – двух стандартных пирометров является определенно недостаточным условием. Действительно, вопрос о достоверном измерении температуры поверхности в таких экспериментах является первоочередным: здесь использование яркостной (монохроматической) пирометрии приводит к большим ошибкам, в основном из-за неизвестного значения излучательной способности материала при высокой температуре в условиях сложных процессов на поверхности – например плавления или химической реакции. Использование бихроматического (цветового) пирометра, который, по мнению ряда авторов [6], позволяет более точно определить истинную температуру (что, по меньшей мере, недостаточно обоснованно) приводит к существенным и трудно прогнозируемым ошибкам. Если в случае изучения углеродных материалов, являющихся достаточно «серыми» излучателями, бихроматическая пирометрия не приводит к фатальным ошибкам, то для карбидных и нитридных материалов ошибка при температурах, близких к температурам плавления этих веществ, может достигать сотен единиц кельвинов.
Альтернативным методом определения температуры является полихроматическая (многоканальная) пирометрия, использованная авторами для исследования фазовых диаграмм сверхтугоплавких карбидов [9] и плавления тугоплавких оксидных керамик [10].
Здесь важно отметить, что с помощью полихроматической пирометрии одновременно определяется истинная температура и излучательная способность в широком диапазоне длин волн, примерно от 450 до 900 нм. Последнее позволяет надежно экстраполировать ее значение в область около 1 000 нм, что соответствует длинам волн современных мощных дисковых и волоконных лазеров «технологического класса» и, таким образом, отслеживать изменение поглощательной способности материала на лазерной длине волны, что важно для правильной интерпретации результатов измерений.
Очевидно, что основным процессом деградации твердых высокотемпературных карбидов при высоких температурах в окислительной среде является образование слоя окисла на поверхности, толщина и структура которого определяется многими факторами. Среди них: температура, длительность нагрева, особенности динамики нагрева, структура и стехиометрия исходного карбида. Говоря о карбидах, в частности о карбиде циркония, которому посвящена настоящая работа, необходимо отметить, что процессу окисления – образованию окиси циркония на поверхности карбида циркония – посвящено большое число работ (см. [11]). Как правило, они выполнены в «идеальных», хорошо контролируемых условиях окисления: образец размещен в камере, в которой поддерживается определенная температура и газовая среда с заданным парциальным давлением кислорода. После образования оксида на поверхности образца из ZrC проводится подробный анализ зоны химического превращения с помощью различных аналитических методов. Здесь особое внимание необходимо уделить недавней работе [12], выполненной с использованием такой методологии. Температура в таких экспериментах обычно не превышает 1 500 К (то есть лишь на несколько сотен градусов превосходит температуру начала активного окисления ZrC), а время процесса составляет от десятков минут до часов. Толщина оксидной пленки при этом превышает сотни микрон. Такие эксперименты позволяют довольно глубоко изучить кинетику окисления и некоторые элементарные процессы, протекающие вблизи границы карбид-оксид. Однако возможность их применения к прогнозированию поведению карбида циркония при воздействии высокоэнергетического потока в окислительной среде нуждается в дополнительном подтверждении.
Таким образом, целью настоящей работы явилось изучение особенностей поведения карбида циркония различного состава из области гомогенности (твердого раствора) при воздействии лазерного излучения в окислительной среде (воздух). При этом эксперименты проводились с разной длительностью нагрева, а максимальная температура нагрева оставалась постоянной.
Метод и аппаратура
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Образец из карбида циркония диаметром около 5 мм и толщиной 1,5 мм, изготовленный по технологии, описанной ниже, находился в потоке воздуха, направленном перпендикулярно поверхности со скоростью около 1 м / с для исключения влияния свободной конвекции на картину формирования оксида на поверхности образца. Нагрев осуществлялся с помощью дискового лазера, при этом использовались три режима нагрева с различной скоростью нарастания температуры и соответственно длительностью (рис. 2).
Точное время эксперимента в каждом отдельном «выстреле» определялась временем достижения температуры 2 530 К, контролируемой яркостным пирометром. Пятно визирования пирометров составляло около 0,3 мм. Таким образом, измерялась температура изотермической зоны в центре образца. Яркостный пирометр позволял измерять яркостную температуру, начиная примерно с 1 200 К, тогда как спектропирометр, работающий в спектральном диапазоне 400–900 нм с постоянной времени 1,5 мс, позволял уверенно измерять истинную температуру начиная с 2 000 К. Оба пирометра были специально разработаны для экспериментов с лазерным нагревом и дополнительно адаптированы к данным темпам нагрева и температурному диапазону.
Калибровка спектропирометра осуществлялась до температуры 3 300 К с использованием высокотемпературной модели черного тела, истинная температура которой измерялась прецизионным пирометром CHINO IR-RST 65H. Основные принципы измерения истинной температуры и спектральной излучательной способности с помощью спектропирометра изложены в [11, 13].
Контроль за процессами на поверхности, происходящими в ходе эксперимента, осуществлялся с помощью высокоскоростной видеокамеры с частотой 2 000 кадров в секунду при пространственном разрешении около 900 × 900 пикселов. В связи с тем, что интенсивность собственного излучения в процессе нагрева изменялась на несколько порядков, применение видеорегистрации поверхности в собственном изучении было нецелесообразным. Поэтому поверхность образца равномерно освещалась излучением диодного лазера на длине волны 808 нм, а перед камерой был установлен соответствующий фильтр, что позволяло осуществлять видеосъемку в отраженном свете при полном блокировании собственного излучения поверхности вплоть до максимальной температуры.
Отраженное излучение лазера на длине волны 808 нм существенно превышающее фон теплового излучения, уверенно регистрировалось спектропирометром (см. характерный спектр на рис. 3). Регистрируемый таким образом отраженный сигнал хотя и не прямо связан с направленно-полусферической отражательной способностью в связи с изменением углового распределения отраженного излучения в ходе эксперимента, однако позволяет получить дополнительную качественную информацию о процессах, протекающих на нагреваемой поверхности.
Подготовка образцов нестехиометрического карбида циркония
В связи с тем, что карбид циркония ZrCx (x < 1) представляет собой вещество с широкой областью гомогенности с вакансиями в неметаллической подрешетке, представляется интересным исследовать процесс высокоэнергетического воздействия на этот карбид с разными параметрами стехиометрии х. Для этого были изготовлены образцы трех составов со значениями х = 0,98, 0,9 и 0,77. Среди особых требований, предъявляемых к образцам: отсутствие значительного количества примесей в материале, его гомогенность, низкая пористость. Исходный порошок карбида циркония получался по методу самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Данная технология была выбрана из-за возможности получения более чистых образцов по сравнению с методами карботермического восстановления оксидов и другими методами. Для синтеза карбида циркония навески порошков циркония (марка ПЦРК‑1) и ацетиленовой сажи смешивались в шаровой мельнице, после чего в полученную смесь вводилась временная технологическая связка – цетан. Из полученной смеси прессовались цилиндрические заготовки для синтеза. Затем временная технологическая связка удалялась при нагреве в высокотемпературной вакуумной печи. Далее печь заполнялась аргоном, и температура повышалась до 1 673 K для осуществления реакции синтеза карбида.
Для получения образцов с низкой пористостью синтезированный карбид циркония диспергировался в планетарной мельнице. Измельченный порошок после отмывки от материала мелющих тел спекался в установке горячего прессования с индукционным нагревом при температуре 2 130 К и давлении 60 МПа. Толщина спеченных образцов составляла обычно около 2 мм при диаметре около 12 мм, что определялось внутренним диаметром графитовой пресс-формы горячего пресса. Спеченный образец обрабатывался на шлифовальном станке для удаления графита и уменьшения толщины образца до 1,5 мм.
Затем образец карбида циркония подвергался лазерно-эрозионной обработке для получения из него 3‑х уменьшенных образцов диаметром 5 мм (рис. 3), после чего эти образцы повторно шлифовались. В результате получались три образца карбида циркония диаметром 5 мм и толщиной 1,5 мм с одинаковыми характеристиками (плотность, состав), необходимые для проведения серий испытаний в разных режимах нагрева.
Содержание углерода в образцах карбида циркония определялось методом динамической вспышки на элементном анализаторе Combustion Master CS (NCS, Германия); содержание кислорода и азота – методом восстановительного плавления на элементном анализаторе Fusion Master ON (NCS, Германия). Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов карбида циркония проводился на дифрактометре SmartLab SE (Rigaku, Япония) с использованием Cu Kα-излучения. На дифрактограммах (рис. 4) присутствуют только рефлексы, соответствующие фазе карбида циркония. Общие характеристики образцов представлены в табл. 1.
Результаты экспериментов
Эксперименты проводились на образцах карбида циркония трех различных составов: ZrC0.77, ZrC0.9, ZrC0.98. Образец диаметром 5 мм устанавливался в графитовый держатель. Поверхность образца обдувалась слабым потоком воздуха. Излучение мощного дискового и диодного лазера фокусировалось на поверхность исследуемого образца, причем диаметры пятен фокусировки были близки к диаметру образца. Эксперименты с образцами каждого состава проводились с различными темпами нагрева, показанными на рис. 2. При этом темп роста температуры на поверхности составлял соответственно 700–1 000 К / с, 2 000–3 800 К / с и 8 500–12 000 К / с. Путем аппроксимации спектров теплового излучения поверхности образца (рис. 5) произведением функции Планка и излучательной способности рассчитывались значения истинной температуры поверхности и спектральной излучательной способности в предположении, что в относительно узком диапазоне длин волн излучательная способность не зависит от длины волны (приближение серого тела).
Аппроксимация осуществлялась в двух диапазонах длин волн (730–790 нм и 820–870 нм), чтобы исключить из рассмотрения влияние излучения диодного лазера. С учетом того, что, как будет показано ниже, значительный слой оксида циркония уже образуется на поверхности к моменту достижения нижнего температурного предела для спектропирометра (а это примерно 2000 К), приближение серого тела для оксида циркония выглядит достаточно адекватно [14].
На рис. 6 показаны результаты типичного эксперимента с длительностью нагрева около 1,5 с для образца с минимальным содержанием углерода. Спектральная излучательная способность в диапазоне длин волн, используемых для нелинейной подгонки (730–870 нм) в области температур, регистрируемых спектропирометром, лежит в диапазоне около 0,6–0,75. Это достаточно хорошо соответствует измерениям, выполненным в [16] в условиях лазерного нагрева массивного образца из двуокиси циркония, стабилизированной окисью иттрия. На начальном этапе нагрева отмечается резкое снижение отражения поверхностью образца, которое начинается при температуре в окрестности 1 000 К. Указанная температура, согласно [12, 13], находится в хорошем соответствии с температурой, при которой начинается активное окисление карбида циркония. Отражательная способность двуокиси циркония при этой температуре является весьма высокой [17] и сравнима с отражательной способностью карбида циркония. Несмотря на это, тонкая пленка окисла, возникающая на поверхности, скорее всего представляет собой субстехиометрический оксид, который имеет весьма низкую отражательную способность. Регистрация процесса нагрева с помощью скоростной видеокамеры также подтверждает резкое потемнение поверхности, облучаемой лазером. Вблизи момента времени А (см. рис. 6) излучательная способность и сигнал отражения демонстрируют особенность, которая хорошо видна на термограмме нагрева. Соответствующая ей температура, около 2 600 К, близка к известному переходу диоксида циркония из моноклинной фазы в кубическую.
Такое поведение образцов из ZrCx качественно наблюдалось для всех трех исходных стехиометрических составов и проявлялось в экспериментах, выполненных с различными скоростями нагрева. При нагреве с более низкой скоростью и, следовательно, с более медленным темпом изменения температуры толщина слоя двуокиси циркония была максимальной – порядка 20 мкм. При нагреве со средней скоростью (см. рис. 2) толщина слоя была около 10 мкм, и при самом быстром нагреве – около 5 мкм.
После проведения эксперимента образцы исследовались различными методами. На рис. 7 приведена рентгеновская дифрактограмма поверхности образца после эксперимента, снятая с помощью дифрактометра SmartLab SE. Оказалось, что образованное на поверхности покрытие белого цвета соответствует моноклинному ZrO2.
Спектры рамановского рассеяния модифицированной поверхности исходных карбидных образцов были получены с помощью рамановского микроскопа M532, обладающего высоким пространственным и спектральным разрешением. На рис. 8 показан рамановский спектр окисной пленки, образовавшейся на поверхности карбида циркония, в сравнении с высокочистым порошком двуокиси циркония. Полученные спектры комбинационного рассеяния не зависели от исходного стехиометрического состава образцов из карбида циркония и хорошо соответствовали порошку из чистого ZrO2. Полученный спектр комбинационного рассеяния соответствовал моноклинной фазе ZrO2 в соответствии с данными [18].
Таким образом, оказалось, что в диоксиде циркония, образовавшемся на поверхности карбида циркония при интенсивном лазерном нагреве, обнаружена только моноклинная фаза, хотя в работе [13], наряду с моноклинной фазой, были обнаружены как тетрагональная, так и кубическая фаза. Выяснение этого вопроса предполагается осуществить в ходе дальнейших исследований.
Для определения толщины и структуры области термохимического преобразования поверхности карбида циркония в диоксид циркония был выполнен СЭМ-анализ зоны поверхности, подвергнутой нагреву. На рис. 9 показано СЭМ-изображение скола, перпендикулярного поверхности образца. На левом снимке цветными линиями показаны различные зоны: поверхность образца; зона скола – исходный материал образца ZrC0,77; 1 – переходная зона карбидного материала; 2 – образовавшийся оксид. Справа – зоны 1 и 2 при большем увеличении.
Распределение элементов в окрестности зоны окисления изучено с помощью СЭМ-ЭДС анализа шлифа, выполненного перпендикулярно поверхности образца. Результаты такого анализа представлены на рис. 10. Оказалось, что окисленная область имеет весьма четкую границу раздела с исходным карбидом. На рисунке 10a показан шлиф, сделанный перпендикулярно поверхности образца с указанием области элементного ЭДС-картирования – A и направления сканирования распределения элементов – B. Из рис. 10b и 10d следует, что распределение кислорода в приповерхностном слое толщиной около 20 мкм весьма однородно. Ему соответствует меньшая по сравнению с исходным образцом плотность циркония в этом слое (см. рис. 10b и 10с). В целом распределение как циркония, так и кислорода весьма однородно как в исходной зоне карбида, так и в окисле. Во всех режимах лазерного воздействия и для всех рассмотренных составов образцов отмечается плотное прилегание оксидного слоя к исходному карбиду. Таким образом, возможно, что образующийся оксидный слой будет эффективно препятствовать окислительной деградации карбида циркония при определенных режимах нагрева.
Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Госкорпорации «Росатом» в рамках научного проекта № 20-21-00115.
REFERENCES
Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz B., Talmy I. UHTC: ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications. The Electrochemical Society Interface. 2007; 16(4): 30–36. DOI:10.1149/2.F04074IF.
Zeng Y., Wang D., Xiong X., Zhang X., Withers P. J., Sun W. et al. Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3000 °C. Nature Communications. 2017; 8(1): 15836. DOI:10.1038/ncomms15836.
Eremin S. A., Anikin V. N., Sinitsyn D. Yu., Gus’kov V.N., Yudin A. G. Investigation of the process of formation of hafnium carbide on carbon-carbon composite material in the system HfCl4–CH4–Ar. Refractories and Industrial Ceramics. 2017; 58(2): 233–238. DOI:10.1007/s11148-017-0086‑z
Gaballa O. G. Processing development of 4TaC-HfC and related carbides and borides for extreme environments. [Doctor of Philosophy] [Ames]: Iowa State University, Digital Repository; 2012. DOI:10.31274/etd‑180810–965.
Nieto A., Kumar A., Lahiri D., Zhang C., Seal S., Agarwal A. Oxidation behavior of graphene nanoplatelet reinforced tantalum carbide composites in high temperature plasma flow. Carbon. 2014; 67: 398–408. DOI:10.1016/j.carbon.2013.10.010.
Evdokimenko Ju., Frolov G., Kisel’ V., Buchakov S., Grigor’ev O., Podchernjaeva I., Neshpor I., Cyganenko V. Thermoerozion tests of Ultra-high-temperature ceramic coatings on carbon–carbon composite substrates. III international scientific-technical conference “INNOVATIONS”. 2017; 216–219
Евдокименко Ю., Фролов Г., Кисель В., Бучаков С., Григорьев О., Подчерняева И., Нешпор И., Цыганенко В. Термоэрозионные испытания покрытий на основе ультравысокотемпературной керамики на подложках из композиционного углерод-углеродного материала. III Международный научный конгресс «Инновации». 2017; 216–219
Frolov A. M., Petukhov S. V., Faliakhov T. M., Sheindlin M. A. Mass-spectrometric analysis of laser induced evaporation of tantalum carbide up to 4900 K. Vestnik Ob’edinennogo instituta vysokikh temperatur. 2018; 1(1): 43–46. DOI:10.33849/2018110.
Фролов А. М., Петухов С. В., Фаляхов Т. М., Шейндлин М. А. Масс-спектрометрический анализ лазерно-индуцированного испарения карбида тантала до 4900 К. Вестник Объединенного института высоких температур. 2018; 1(1): 43–46. DOI:10.33849/2018110.
Sheindlin M., Frolov A., Petukhov S., Bottomley D., Masaki K., Manara D. et al. Mass spectrometric study of the laser-evaporated Fe–Zr–O system up to 3300 K. Journal of the American Ceramic Society. 2022; 105(3): 2161–2170. DOI:10.1111/jace.18185
Jankowiak A., Justin J. F. Ultra high temperature ceramics for aerospace applications. ODAS 2014. 2014. www.hal.archives-ouvertes.fr/hal‑01103216
Sheindlin M., Falyakhov T., Petukhov S., Valyano G., Vasin A. Recent advances in the study of high-temperature behaviour of non-stoichiometric TaC x, HfC x and ZrC x carbides in the domain of their congruent melting point. Advances in Applied Ceramics. 2018; 117(sup1): s48‑s55. DOI:10.1080/17436753.2018.1510819.
Bgasheva T., Falyakhov T., Petukhov S., Sheindlin M., Vasin A., Vervikishko P. Laser-pulse melting of calcium oxide and some peculiarities of its high-temperature behavior. Journal of the American Ceramic Society. 2021; 104(7): 3461–3477. DOI:10.1111/jace.17676
Pierrat B. Oxidation of an ultra high temperature ceramic: zirconium carbide. [Master Thesis] Luleå University of Technology; 2010. www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1028975/FULLTEXT01.pdf
Gasparrini C., Podor R., Horlait D., Chater R., Lee W. E. Zirconium carbide oxidation: maltese cross formation and interface characterization. Oxidation of Metals. 2017; 88(3–4): 509–519. DOI:10.1007/s11085-016-9672-6.
Sheindlin M., Ronchi C., Heinz W. Recent advances in high-speed polychromatic pyrometry. Proceedings of 9th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Science and Industry; Budapest: IMEKO; 2004: 545–550.
Petrov V. A. Thermoradiation characteristics of refractory oxides upon heating by concentrated laser radiation. High Temperature. 2016; 54(2): 186–196. DOI:10.1134/S0018151X16020140.
Петров В. А. Терморадиационные характеристики тугоплавких оксидов при нагреве концентрированным лазерным излучением. Теплофизика высоких температур. 2016; 54(2): 197–209. DOI:10.7868/S0040364416020150.
Petrov V., Vorobyev A., Chernyshev A. Thermal radiation and optical properties of cubic zirconia stabilised with yttria up to the temperature of high rate evaporation. High Temperatures-High Pressures. 2002; 34(6): 657–668. DOI:10.1068/htjr077.
Latiev LN, Petrov VA, Chekhovskoy VY, Shestakov EN. Izluchatelnyie harakteristiki metallov (Radiative characteristics of metals). In: Sheindlin AE, editor. Izluchatelnyie svoistva tvyordykh materialov (Radiative properties of solid materials). – Moscow: Energia, 1974: 438–445.
Латыев Л. Н., Петров В. А., Чеховской В. Я., Шестаков Е. Н. Излучательные характеристики металлов. В: Излучательные свойства твердых материалов: справочник. Под ред. А. Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974. 470 с.
Bauer A. J.R. ZrO2 Phase identification with Raman Spectroscopy. Raman‑020 rev. A. 2018. www.tsi.com/getmedia/9834a4f0-278e‑4fe4-8012-8723a3fe1d06/Identification_of_ZrO2_Phase_w_Raman_Spectroscopy_App_Note_RAMAN‑020_US-web?ext=.pdf
ОБ АВТОРАХ
Шейндлин Михаил Александрович, д. ф.‑ м. н., зав. лаб., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
E-mail: sheindlin@yandex.ru
ORCID: 0000-0002-4960-7757
Брыкин Михаил Владимирович. к. ф.‑ м. н., с. н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
E-mail: mbrykin@gmail.com
ORCID: 0000–0002–8046–888Х
Бгашева Татьяна Владимировна, м. н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-5258-0153
Васин Андрей Андреевич, вед. инж., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия. E-mail: av65536@gmail.com
ORCID:0000-0002-2384-7090
Вервикишко Павел Сергеевич, н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия. E-mail: pvervikishko@gmail.com
ORCID: 0000-0002-4527-6524
Петухов Сергей Владимирович, вед. инженер, лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия.
E-mail: petuhov.sergey@bk.ru
ORCID: 0000-0003-3852-1314
Фролов Александр Михайлович, н. с., лаборатория экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, Москва, Россия. E-mail: matotz@gmail.com
ORCID: 0000-0002-3091-9451
Отзывы читателей
