PRODUCTION OF FUNCTIONALLY GRADIENT MATERIALS BASED ON SILICON CARBIDE AND HIGH-ALLOY STEEL USING SPARK PLASMA SINTERING TECHNOLOGY

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An important scientific task of practical materials science is the production of metal-ceramic composites in the form of functional gradient materials (FGM) for special-purpose products. In this regard, a study was conducted on the application of spark plasma sintering (IPS) technology for the effective diffusion connection of SiC ceramics and high-alloy steel (grade X18R15) to obtain a combined FGM composite. In a comprehensive experimental study, the dynamics of consolidation and changes in the phase composition of dispersed SiC under conditions of different temperatures and heating rates, pressing pressure, and holding time were studied. As a result, the IPS conditions were optimized for obtaining SiC ceramics of high relative density (>82%) and microhardness (>500 HV) of stable phase composition. The physicochemical foundations of the formation of a strong compound of a two-component SiC-ceramic and steel system under IPS conditions without additives and using a mixture of additives in the form of a binder, a reaction binder and a damper (Ti–Ag, Ti–TiH2, Ti–Ag–TiH2 and Ti–Ag/Mo additive systems) have been studied. The structure, composition of ceramics and intermediate (binding and damping) layers, as well as the diffusion of elements at the boundary of the formed compounds in FGM composites, were studied using XRF, SEM and EMF methods. It was found that the Ti–Ag/Mo additive in the ratio of 30 wt. % Ti–70 wt. % Ag and a dense layer of Mo (thickness ~ 2 mm), acting as a damper to compensate for the temperature coefficient of linear expansion, ensure the formation of a connected FGM composite of an integral shape. The presented studies have been implemented for the first time, are promising and require further development in order to gain scientific knowledge of the manufacture of composite products for special purposes.

About the authors

S. V. CHUKLINOV

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: papynov@mail.ru
Moscow, Russia

V. I. SERGIENKO

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

Email: papynov@mail.ru
Vladivostok, Russia

E. K. PAPYNOV

Far Eastern Federal University

Email: papynov@mail.ru
Russian Island, Russia

O. O. SHICHALIN

Far Eastern Federal University

Email: papynov@mail.ru
Russian Island, Russia

A. A. BELOV

Far Eastern Federal University

Email: papynov@mail.ru
Russian Island, Russia

E. Yu. MARCHUKOV

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: papynov@mail.ru
Moscow, Russia

A. N. MUKHIN

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Author for correspondence.
Email: papynov@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Kieback B., Neubrand A., Riedel H. // Mater. Sci. Eng. A. 2003. V. 362. № 1–2. P. 81. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00578-1
  2. Saleh B., Jiang J., Fathi R. et al. // Compos. Part B. 2020. V. 201. P. 108376. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108376
  3. Sam M., Jojith R., Radhika N. // J. Manuf. Process. 2021. V. 68. P. 1339. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00578-1
  4. Pasha A., B.M.R. // Mater. Today Proc. 2022. V. 52. P. 413. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.077
  5. Ruys A.J., Sutton B.A. // Met. Ceram., Elsevier. 2021. P. 327. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102869-8.00009-4
  6. Martinsen K., Hu S.J., Carlson B.E. // CIRP Ann. 2015. V. 64. P. 679. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.05.006
  7. 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. 159–193. https://doi.org/10.5772/64524
  8. 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
  9. Hausner S., Wielage B. // Adv. Brazing Sci. Technol. Appl., Woodhead Publishing Limited, 2013. P. 361–393. https://doi.org/10.1533/9780857096500.2.361
  10. 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
  11. Hu Z.Y., Zhang Z.H., Cheng X.W. et al. // Mater. Des. 2020. V. 191. P. 108662. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108662
  12. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Sevastyanov V.G. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. № 14. P. 1697. https://doi.org/10.1134/S0036023619140079
  13. Papynov E.K., Portnyagin A.S., Modin E.B. et al. // Mater. Charact. 2018. V. 145. P. 294. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.08.044
  14. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 12. P. 1887. https://doi.org/10.1134/S0036023621120172
  15. 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
  16. Papynov E.K., Shichalin O.O., Buravlev I.Y. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. № 2. P. 263. https://doi.org/10.1134/S0036023620020138
  17. Shichalin O.O., Frolov K.R., Buravlev I.Y. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. № 8. P. 1245. https://doi.org/10.1134/S0036023620080148
  18. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Gordeev A.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 4. P. 421. https://doi.org/10.1134/S0036023618040186
  19. Shichalin O.O., Buravlev I.Y., Portnyagin A.S. et al. // J. Alloys Compd. 2020. V. 816. P. 152547. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152547
  20. Shichalin O.O., Buravlev I.Y., Papynov E.K. et al. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2022. V. 102. P. 105725. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105725
  21. Buravlev I.Y., Shichalin O.O., Papynov E.K. et al. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2021. V. 94. P. 105385. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105385
  22. 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
  23. Tsakiris V., Kappel W., Talpeanu D. et al. // Adv. Mater. Res. 2014. V. 1029. P. 200. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1029.200
  24. Okuni T., Miyamoto Y., Abe H. et al. // Ceram. Int. 2014. V. 40. P. 1359. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.07.017
  25. Rizzo S., Grasso S., Salvo M. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2014. V. 34. № 4. P. 903. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.10.028
  26. Miriyev A., Barlam D., Shneck R. et al. // J. Mater. Process. Technol. 2014. V. 214. № 12. P. 2884. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.06.026
  27. Miriyev A., Stern A., Tuval E. et al. // J. Mater. Process. Technol. 2013. V. 213. № 2. P. 161. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.09.017
  28. Zhang B., Chen C., He J. et al. // Materials (Basel). 2020. V. 13. № 15. P. 1. https://doi.org/10.3390/ma13153300
  29. Dudina D.V., Matvienko A.A., Sidelnikov A.A. et al. // Mater. Today Proc. 2019. V. 16. P. 187. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.05.242
  30. Dudina D.V., Matvienko A.A., Sidelnikov A.A. et al. // Metals (Basel). 2018. V. 8. № 7. https://doi.org/10.3390/met8070538
  31. Хениш Г., Рой Р. // Карбид кремния. М., 1972.
  32. Bokhonov B.B., Ukhina A.V., Dudina D.V. et al. // RSC Adv. 2015. V. 5. № 98. P. 80228. https://doi.org/10.1039/C5RA15439A
  33. Bernard–Granger G., Benameur N., Guizard C. et al. // Scr. Mater. 2009. V. 60. № 3. P. 164. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.09.027
  34. Bertrand A., Carreaud J., Delaizir G. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2014. V. 97. № 1. P. 163. https://doi.org/10.1111/jace.12657
  35. Papynov E.K., Shichalin O.O., Mironenko A.Y. et al. // Radiochemistry. 2018. V. 60. № 4. P. 362. https://doi.org/10.1134/S1066362218040045

Copyright (c) 2023 С.В. Чуклинов, В.И. Сергиенко, Е.К. Папынов, О.О. Шичалин, А.А. Белов, Е.Ю. Марчуков, А.Н. Мухин

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».