Исследование влияния примесного состава кремния на дефектность образцов из реакционно-спеченного карбида кремния

Сложнопрофильные крупногабаритные карбидокремниевые изделия получают методом жидкофазного силицирования, однако наличие в составе свободного кремния ограничивает область их применения. Снизить содержание кремния можно за счет формирования мелкозернистой пористой структуры материала, регулирования скорости роста карбидного слоя на стенках пор при жидкофазном силицировании. В работе представлены результаты исследования влияния примесного состава кремния марки КР00 на появление дефектов в структуре мелкозернистого реакционно-спеченного карбида кремния (РСКК). Показано, что наибольшее влияние оказывает такая примесь в техническом кремнии, как железо. При его содержании менее 0,94 % масс. удается получить бездефектные образцы из РСКК с плотностью не ниже 3,00 ± 0,05 г/см³. При содержании Fe 1,49 % масс. в силицированных образцах наблюдаются дефекты в виде недопропитанных областей, которые, вероятно, обусловлены повышенной растворимостью углерода в кремниевом расплаве при пропитке техническим кремнием с повышенным содержанием железа и, как следствие, более интенсивным ростом карбидокремниевого слоя на стенках пор с их последующим перекрытием. По мере продвижения расплава вглубь карбонизованного пористого образца происходит его обеднение по кремнию c увеличением содержания примесей, прежде всего Fe и Al, и образованием SiC, Fe₃C, FeSi. Теоретический расчет показал, что относительные изменения объема для реакций образования SiC и Fe₃C при взаимодействии 1 моля углерода с кремнием и железом составляют 134 и 339 %. Кроме того, при значительном содержании в расплаве железа значимую роль в перекрытии капилляров может играть объемное изменение, связанное с образованием Fe₃C. Полученные результаты могут быть использованы при производстве на основе РСКК деталей триботехнического назначения, запорной арматуры и др.

1. Сорокин О. Ю., Бубненков И. А., Кошелев Ю. И., Орехов Т. В. Разработка мелкозернистого силицированного графита с улучшенными свойствами / Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. № 6. С. 12 – 16.

2. Овсиенко А. И., Румянцев В. И., Беспалов И. А., Сильников Н. М. Перспективы применения реакционно-спеченного карбида бора в качестве броневой керамики / Вопросы оборонной техники. 2015. № 7 – 8(85 – 86). С. 95 – 101.

3. Антонова Е. С., Голубева Н. А., Келина И. Ю., Плясункова Л. А., Стахровская Т. Е., Нечепуренко А. С. Влияние фракционного состава исходных порошковых смесей и их дисперсности на физико-механические свойства реакционно-связанного карбида кремния / Новые огнеупоры. 2014. № 10. С. 37 – 41.

4. Гордеев С. К., Ежов А. Ю., Каримбаев Т. Д., Корчагина С. Б., Мезенцев М. А. Дисперсно-упрочненные композиции алмаз-карбид кремния — новые материалы для машиностроения / Композиты и наноструктуры. 2015. Т. 7. № 10. С. 61 – 71.

5. Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Светлов И. Л. Высокоэффективное охлаждение лопаток горячего тракта ГТД / Авиационные материалы и технологии. 2017. № 2. С. 3 – 14. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-2-3-14

6. Каблов Е. Н., Бондаренко Ю. А., Ечин А. Б. Развитие технологии направленной кристаллизации литейных высокожаропрочных сплавов с переменным управляемым температурным градиентом / Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 24 – 38. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-24-38

7. Оспенникова О. Г., Подъячев В. Н., Столянков Ю. В. Тугоплавкие сплавы для новой техники / Труды ВИАМ. 2016. № 10(46). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-10-5-5

8. Allen A., Levin I., Witt S. Materials research and measurement needs for ceramic additive manufacturing / Journal of the American Ceramic Society. 2020. P. 6055 – 6069. DOI: 10.1111/jace.17369

9. Каблов Е. Н., Ечин А. Б., Бондаренко Ю. А. История развития технологии направленной кристаллизации и оборудования для литья лопаток газотурбинных двигателей / Труды ВИАМ. 2020. № 3(87). DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-3-12

10. Румянцев В. И., Бойков С. Ю., Осмаков А. С., Фищев В. Н. Квалиметрия микроструктуры реакционно-спеченного карбида кремния / Огнеупоры и техническая керамика. 2007. № 12. С. 29 – 34.

11. Wahl G. Carbon materials — new developments for the use in high duty axial face seals / 15th International Sealing Conference. — University of Stuttgart, Germany, 2008. P. 24.

12. Гнесин Г. Г. Карбидокремниевые материалы. — М.: Металлургия, 1977. — 216 с.

13. Кошелев Ю. И., Костиков В. И., Татиевская Е. М., Телегин В. Д., Нагорный В. Г. Влияние примесей на качество силицированных графитов типа СГ-П / Адгезия расплавов и пайка материалов. 1991. Вып. 25. С. 90 – 94.

14. Фролов В. В. Химия: учеб. пособие для машиностроительных специальностей вузов. — М.: Высшая школа, 1986. — 543 с.

15. Sangsuwan P., Orejas J., Gatica J., et al. Reaction-bonded silicon carbide by reactive infiltration / Industr. Eng. Chem. Res. 2001. Vol. 40. P. 5191 – 5198.

16. Hoseinpur A., Safarian J. Mechanisms of graphite crucible degradation in contact with Si – Al melts at high temperatures and vacuum conditions / Vacuum. 2020. Vol. 21. P. 1 – 12.