بررسی تأثیر میزان کاربید زیرکونیوم بر مقاومت به اکسیداسیون کامپوزیت ZrB2-SiC

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف: کامپوزیت‌های ZrB2-SiC به دلیل خصوصیات برجسته‌ای که دارند ازجمله نقطه ذوب بالا، در زمینه‌های مختلفی مانند صنعت فضایی و هواپیماسازی استفاده می‌شوند. هدف از این تحقیق بررسی اثر افزودن کاربید زیرکونیوم بر مقاومت به اکسیداسیون این کامپوزیت در دمای 1400 درجه سانتی‌گراد است.
مواد و روش ها: در این تحقیق، به منظور بررسی تاثیر میزان کاربید زیرکونیوم بر مقاومت به اکسیداسیون کامپوزیت ZrB2-SiC، سه کامپوزیت با مقادیر 4، 8 و 12 درصد حجمی کاربید زیرکونیوم در دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، زمان 9 دقیقه و فشار 30 مگاپاسکال به روش تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای، تف‌جوشی شدند. آزمون مقاومت به اکسیداسیون، با قرارگیری نمونه‌ها در یک کوره جعبه‌ای در دمای 1400 درجه سانتی‌گراد، برای مدت زمان‌های 1، 2، 3، 5، 6، 7، 10، و 18 ساعت در اتمسفر هوا، انجام شد. برای ارزیابی مقاومت به اکسیداسیون نمونه‌ها، از روش تغییرات وزن نمونه قبل و بعد از اکسیدشدن استفاده شد. هم چنین بررسی‌های ریزساختاری و ترکیب شیمیایی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی مجهز به طیف‌سنج توزیع انرژی پرتو ایکس انجام شد.
یافته‌ها: مشخص شد  که حضور کاربید زیرکونیوم، سبب کاهش میزان مقاومت به اکسیداسیون می‌شود. همچنین، نمودار تغییرات وزن نشان داد که سازوکار اکسیداسیون این کامپوزیت‌ها، قابل کنترل با نفوذ و به صورت سهموی است.
نتیجه‌گیری: نتیجه‌گیری شد که طی فرآیند اکسیداسیون، سرعت نفوذ اکسیژن پارامتر کلیدی و اصلی در اکسیداسیون این کامپوزیت است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigating the ZrC Effect on the Oxidation Resistance of ZrB2-SiC Composite

نویسندگان [English]

  • Mohsen Ghasilzade Jarvand
  • Zohre Balak
Department of Materials Science and Engineering, Ahv.C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: ZrB2-SiC composites are used in various fields such as aerospace industry and aviation due to their prominent properties, including high melting points. The aim of this research is to investigate the effect of adding zirconium carbide on the oxidation resistance of the composite at 1400 °C.
Materials and Methods: In this research, in order to investigate the effect of the amount of zirconium carbide on the oxidation resistance of ZrB2-SiC composite, three composites containing 4, 8, and 12 vol.% zirconium carbide were sintered at 1800 °C for 9 min under pressure of 30 MPa using the spark plasma sintering (SPS) method. The oxidation test was performed by placing the samples in a box furnace at 1400 °C for 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 15, and 18 h in air atmosphere. Weight changes were measured and recorded before and after the oxidation test to evaluate the oxidation resistance of the samples. The microstructural examinations and chemical composition analysis were performed using a field emission scanning electron microscope equipped with an energy-dispersive X-ray spectroscopy system.
Results: It was found that the presence of zirconium carbide decreases the oxidation resistance. In addition, the graph of weight changes revealed that the oxidation mechanism of the composites was controlled by diffusion and followed a parabolic trend.
Conclusion: It was concluded that the rate of oxygen diffusion is the key and main parameter in the oxidation of this composite during the oxidation process.

کلیدواژه‌ها [English]

  • ZrB2-SiC
  • Oxidation resistance
  • Zirconium carbide
  • Microstructure

مراجع

  1. Masdar A, Arsalan B, Balak Z. Effect of milling time on microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered HfB₂–ZrB₂–TiB₂ composite. J Adv Mater Eng (Esteghlal) 2024;43(4):51–68. https://doi.org/10.47176/jame.43.4.1085 (In Persian)
  2. Pourbahreini S, Ahmadian M. Investigation of temperature effect on microstructure and mechanical properties of ultra-high temperature ceramic ZrB₂–SiC–TiC composite via multi-step spark plasma J Adv Mater Eng (Esteghlal) 2024;43(4):1–21. https://doi.org/10.47176/jame.43.4.1064 (In Persian)
  3. Pourbahreini S, Ahmadian M. Effect of TiC additive on microstructure and mechanical properties of ZrB₂–SiC-based ultra-high temperature ceramic composite via multi-step spark plasma sintering. J Adv Mater Eng (Esteghlal) 2024;43(2):29–43. https://doi.org/10.47176/jame.43.2.1063 (In Persian)
  4. Malaei Hezarvandi Sh, Balak Z. Oxidation resistance of HfC–ZrC–TiC composite at 1200 °C: Role of nano carbon black and silicon. J Adv Mater Eng (Esteghlal) 2025;44(3):87–99. https://doi.org/10.47176/jame.44.3.1089 (In Persian)
  5. Eakins E, Jayaseelan DD, Edward LW. Toward oxidation-resistant ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramics. Metall Mater Trans A 2011;42:878–887. https://doi.org/10.1007/s11661-010-0540-8
  6. Berkowitz-Mattuck JB. High-temperature oxidation: III. Zirconium and hafnium diborides. J Electrochem Soc. 1966;113(9):908–14.
  7. Kuriakose AK, Margrave JL. The oxidation kinetics of zirconium diboride and zirconium carbide at high temperatures. J Electrochem Soc. 1964;111(7):827–331.
  8. Tripp WC, Graham HC. Thermogravimetric study of the oxidation of ZrB2 in the temperature range of 800–1500 °C. J Electrochem Soc. 1968;118(7):1195–9.
  9. Irving RJ, Worsley IG. Oxidation of titanium diboride and zirconium diboride at high temperatures. J Less-Common Met. 1968;16(2):102–12. https://org/10.1016/0022-5088(68)90061-5
  10. Monteverde F, Bellosi A. Oxidation of ZrB2-based ceramics in dry air. J Electrochem Soc. 2003;150(11):B552–9. https://doi.org/10.1149/1.1613647
  11. Fahrenholtz WG. Thermodynamic analysis of ZrB2–SiC oxidation: formation of a SiC-depleted region. J Am Ceram Soc. 2017;90(1):143–8. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01406.x
  12. Fahrenholtz WG. The ZrB2 volatility diagram. J Am Ceram Soc. 2005;88(12):3509–12. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00578.x
  13. Zhu T, Li W, Zhang W, Hu P, Hong C, Weng L. Oxidation behavior of ZrB2–SiC–ZrO2ceramic composites in the temperature range of 800–1200 °C. Mater Chem Phys. 2009;116:593. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.04.021
  14. Rezaie A, Fahrenholtz WG, Hilmas GE. Evolution of structure during the oxidation of zirconium diboride–silicon carbide in air up to 1500 °C. J Eur Ceram Soc. 2007;27:2495. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.09.009
  15. Medri V, Monteverde F, Balbo A, Bellosi A. Comparision of ZrB2-ZrC-SiC composites fabricated by spark plasma sintering and hot-pressing. Adv Eng Mater. 2007;7:159. https://doi.org/10.1002/adem.200600246
  16. Gao D, Zhang Y, Xu C, Song Y, Shi X. Atomic oxygen adsorption and its effect on the oxidation behaviour of ZrB2–ZrC–SiC in air. Mater Chem Phys. 2011;126:156. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.12.034
  17. Rezaie A, Fahrenholtz WG, Hilmas GE. The effect of a graphite addition on oxidation of ZrB2–SiC in air at 1500 °C. J Eur Ceram Soc. 2013;33:413–421. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.10.004
  18. Shi G, Wang Z, Sun X, Wu Z. Effect of the surface oxidation on the flexural strength of the ZrB2–SiC–ZrC Ceramic. Mater Sci Eng A 2012;546:162– 168. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.03.055
  19. Guo WM, Zhou XJ, Zhang GJ, Kan YM, Li YG, Wang PL. Effect of Si and Zr additions on oxidation resistance of hot-pressed ZrB2–SiC composites with polycarbosilane as a precursor at 1500 °C. J Alloy Comp. 2009;471:153–156. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.03.090
  20. Williams PA, Sakidja R, Perepezko JH, Ritt P. Oxidation of ZrB2–SiC ultra-high temperature composites over a wide range of SiC content. J Eur Ceram Soc. 2012;32:3875–3883. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.05.007
  21. Monteverde F, Scatteia L. Resistance to thermal shock and to oxidation of metal diborides-SiC ceramics for aerospace application. J Am Ceram Soc. 2007;90:1130–1138. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.01512.x
  22. Ni DW, Zhang GJ, Xu FF, Guo WM. Initial stage of oxidation process and microstructure analysis of HfB2-20 vol% SiC composite at 1500 °C. Scr Mater. 2011;64:617–620. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.01.040
  23. Wu Z, Wang Z, Qu Q, Shi G. Oxidation mechanism of a ZrB2–SiC–ZrC ceramic heated through high frequency induction at 1600 °C. Corros Sci. 2011;53:2344–2349. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2011.02.015
  24. Wang Z, Wu Z, Shi G. The oxidation behaviors of a ZrB2–SiC–ZrC ceramic. Solid State Sci. 2011;13:534–538. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2010.12.015
  25. Shimada S, Ishil T. Oxidation kinetics of zirconium carbide at relatively low temperatures. J Am Ceram Soc. 1990;73:2804–2808. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06658.x
  26. Han Q, Wei C, Wang L. Oxidation resistance and strength retention behavior of fibrous monolithic ZrB2-SiC ceramic. J Mater Sci. 2025;60:10255–10268. https://doi.org/10.1007/s10853-025-11096-x
  27. Zoli L, Servadei F, Failla S. ZrB2–SiC ceramics toughened with oriented paper-derived graphite for a sustainable approach. J Adv Ceram. 2024;13(2):207-219. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220842
  28. Liu L, Wei C, Duan X. Oxidation resistance and residual strength of laminated ZrB2-SiC/SiCw Ceramics. J Ceram. 2022;43(4):652-658. https://doi.org/10.13957/j.cnki.tcxb.2022.04.012
  29. Ghasilzadeh Jarvand M, Balak Z. Oxidation response of ZrB2–SiC–ZrC composites prepared by spark plasma sintering. Synth Sintering. 2022;2:191–197. https://doi.org/10.53063/synsint.2022.24134
  30. Guo WM, Zhang GJ. Oxidation resistance and strength retention of ZrB2–SiC ceramics. J Eur Ceram Soc. 2010;30:2387–2395. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.01.027
  31. Mallik M, Ray KK, Mitra R. Oxidation behavior of hot pressed ZrB2–SiC and HfB2–SiC composites. J Eur Ceram Soc. 2011;31:199–215. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.09.004

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 45، شماره 1
(شماره پیاپی 52)
فروردین 1405
صفحه 49-62

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف ایرانی