РОЗРОБКА СКЛАДІВ ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ОТРИМАННЯ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ
DOI:
https://doi.org/10.15407/plit2025.04.062Ключові слова:
кубічний нітрид бору, високоентропійні сплави, надтверді композити, термодинамічний аналіз, нітриди, боридиАнотація
Робота присвячена перспективам створення нових композиційних матеріалів на основі кубічного нітриду бору (cBN) з використанням високоентропійних сплавів (ВЕС) як зв’язуючої фази. Ці дослідження викликані потребою в інструментальних матеріалах нового покоління, здатних забезпечити ефективну обробку сучасних конструкційних матеріалів в екстремальних умовах, коли властивостей традиційних композитів на основі cBN вже недостатньо. Наявні традиційні металеві та керамічні зв’язуючі добавки мають суттєві недоліки: металеві — низьку температуру розм’якшення, а керамічні — крихкість та низьку теплопровідність. У той же час ВЕС поєднують високу міцність, зносостійкість, а головне, термостабільність, що випливає з особливостей їх структури. Проте одержання композитів ВЕС/cBN залежить від подолання низки критичних завдань: контролю міжфазної взаємодії, пористості та залишкових напружень. Це вимагає прогнозування, у тому числі із застосування термодинамічного моделювання для розрахунку взаємодій у широкому інтервалі температур. Зважаючи на фрагментарність і малу доступність спеціалізованих баз термодинамічних даних для систем ВЕС, в роботі запропоновано комбінаторний метод термодинамічного аналізу для прогнозування оптимальних складів високоентропійних сплавів (ВЕС), призначених для створення композитів на основі кубічного нітриду бору (cBN). Розроблена модель враховує зміну енергії Гіббса системи при утворенні нітридів та боридів на межі фаз ВЕС/cBN, що дозволяє оцінити термодинамічну ймовірність їх утворення. Метод базується на розрахунку ентропії змішування компонентів ВЕС та енергії утворення сполук типу AnBm. Для аналізу використано п’ятикомпонентну систему (Ni–Cr–Fe–Co–Al–Ti), для якої враховано внесок кожного елемента у зміну енергії Гіббса при взаємодії з cBN. Розрахунки показали, що алюміній і титан є найбільш активними елементами, які утворюють стабільні нітриди та бориди (AlN, TiB₂) при температурах до 2000 °C. Результати розрахунку показують, що додавання 5–10 ат. % Al і Ti до ВЕС сприяє формуванню міцної міжфазної межі з cBN за рахунок утворення термостабільних проміжних фаз. Термодинамічні розрахунки також підтверджують, що надлишок цих елементів може призводити до небажаного розшарування і руйнування композиту. Запропонований метод дозволяє зменшити кількість експериментальних досліджень за рахунок попереднього термодинамічного відбору перспективних систем.
Посилання
Ji, H., Li, Z., & Liu, M. (2021). Structural and mechanical properties of cBN composites by regulating particle size distribution and holding time. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 100, Article 105635. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105635
Daoush, W. M., Alkhuraiji, T. S., & Alshammri, A. D. (2021). Fabrication of polycrystalline cubic boron nitride/metal composite particles by surface metallization followed by electroless deposition technique. Materials, 14, 7906. https://doi.org/10.3390/ma14247906
Rathinasabapathy, S., Santhosh, M. S., & Asokan, M. (2020). Significance of boron nitride in composites and its applications. In Recent Advances in Boron-Containing Materials. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.81557.
Li, H., et al. (2024). Surface Topography: Metrology and Properties, 12, 025013. https://doi.org/10.1088/2051-672X/ad4403.
Solozhenko, V. L. (1995). Boron nitride phase diagram: State of the art. High Pressure Research, 13, 199–214.
Solozhenko, V. L., & Gavrichev, K. S. (1995). Thermodynamic properties of boron nitride. In M. A. Preals, P. Gielisse, G. Popovichi, B. V. Spitsyn, & T. Stacy (Eds.), Wide Band Gap Electronic Materials (NATO ASI Series — High Technology, Vol. 1, pp. 377–392). Dordrecht, Boston, London: Kluwer Academic Publishers.
Haynes, W. M. (Ed.). (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). Boca Raton, FL: CRC Press.
NIST–JANAF Thermochemical Tables. National Institute of Standards and Technology. Retrieved from https://janaf.nist.gov.
Kosolapova, T. Ya. (Ed.). (1986). Svoystva, poluchenie i primenenie tugoplavkikh soedinenii [Properties, production and application of refractory compounds]. Moscow: Metallurgiya. [in Russian].
Mirković, D., Gröbner, J., Schmid-Fetzer, R., Fabrichnaya, O., & Lukas, H. (2004). Experimental study and thermodynamic re-assessment of the Al–B system. Journal of Alloys and Compounds, 384, 168–174.
Pankratz, L. B., Stuve, J. M., & Gokcen, N. A. (1984). Thermodynamic Data for Mineral Technology (Bulletin 677). Washington, DC: United States Bureau of Mines.
Van Ende, M.-A., & Jung, I.-H. (2013). Critical thermodynamic evaluation and optimization of the Fe–B, Fe–Nd, B–Nd and Nd–Fe–B systems. Journal of Alloys and Compounds, 548, 133–154.
Yamada, K., Ohtani, H., & Hasebe, M. (2008). Thermodynamic analysis of the Fe–Cr–B ternary system. High Temperature Materials and Processes, 27(4), 269–283.
Widenmeyer, M., Hansen, T. C., Meissner, E., & Niewa, R. (2014). Formation and decomposition of iron nitrides observed by in situ powder neutron diffraction and thermal analysis. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, 640(7), 1265–1274.
Tessier, F., Navrotsky, A., Niewa, R., Leineweber, A., Jacobs, H., Kikkawa, S., Takahashi, M., Kanamaru, F., & DiSalvo, F. J. (2000). Energetics of binary iron nitrides. Solid State Sciences, 2, 457–462.
Stoeckl, P., Swatek, P. W., & Wang, J.-P. (2024). Theoretical study of thermal stability of α″-Fe₁₆N₂ against other iron nitrides. AIP Advances, 14, 015047.
Göhring, H., Fabrichnaya, O., Leineweber, A., & Mittemeijer, E. J. (2016). Thermodynamics of the Fe–N and Fe–N–C systems: The Fe–N and Fe–N–C phase diagrams revisited. Metallurgical and Materials Transactions A, 47, 6173–6186.
Triana, T., Brooks, G. A., Rhamdhani, M. A., & Pownceby, M. I. (2024). Iron oxide direct reduction and iron nitride formation using ammonia: Review and thermodynamic analysis. Journal of Sustainable Metallurgy, 10, 1428–1445.
Liu, Y. Q., Zhao, X. S., Yang, J., & Shen, J. Y. (2011). Thermodynamic optimization of the B–Co–Fe (boron–cobalt–iron) system. Journal of Alloys and Compounds, 509, 4805–4810.
Kartal, L. (2023). Cobalt boride (Co₂B) particle synthesis by one-step carbothermic reduction. Hittite Journal of Science and Engineering, 10(3), 229–235.
Phase Diagrams. (n.d.). Co–N. Retrieved from https://sites.google.com/rictsystems.com/phase-diagrams/metal/co/co-n
F. R. de Boer, F. R., Boom, R., Mattens, W. C. M., Miedema, A. R., & Niessen, A. K. (1988). Cohesion in Metals: Transition Metal Alloys. Amsterdam: North-Holland.
Hahn, H., & Konrad, A. (1951). Über die Bindungswärme des Ni₃N [On the bond heat of Ni₃N]. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, 264, 181–183. [in German].
Teppa, O., & Taskinen, P. (1993). Thermodynamic assessment of the Ni–B phase diagram. Materials Science and Technology, 9(3), 205–212.
Ma, X., Li, C., Du, Z., & Zhang, W. (2004). Thermodynamic assessment of the Ti–B system. Journal of Alloys and Compounds, 370, 149–158.
Linstrom, P. J., & Mallard, W. G. (Eds.). NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. Retrieved from https://webbook.nist.gov/.
Liao, P. K., & Spear, K. E. (1986). The B–Cr (boron–chromium) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 7(3), 232–237.
Sirota, N. N., Vinokurov, V. A., Zinakov, D. V., Matovnikov, A. V., Novikov, V. V., & Siniy, Y. E. (2004). Thermodynamic functions of Cr₂B in the range 5–300 K [Termodinamicheskie funktsii Cr2B v intervale 5–300 K]. Zhurnal Fizicheskoi Khimii (Journal of Physical Chemistry),78(1), 23–26. [in Russian].
Tojo, M., Tokunaga, T., Ohtani, H., & Hasebe, M. (2010). Thermodynamic analysis of phase equilibria in the Cr–Mo–B ternary system. CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry, 34, 263–270.
Musameh, S. M., & Jodeh, S. W. (2007). Tribological behavior of chromium nitride coating by unbalanced magnetron sputtering. Journal of Active and Passive Electronic Devices, 2, 93–103.
Greenwood, N. N., & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann.
Rogl, P. (2009). Boron–carbon–vanadium. In G. Effenberg & S. Ilyenko (Eds.), Refractory Metal Systems (Landolt–Börnstein — Group IV: Physical Chemistry, Vol. 11E1, pp. 551–578). Berlin, Heidelberg: Springer.
Spear, K. E., Liao, P. K., & Smith, J. F. (1987). The B–V (boron–vanadium) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 8(5), 447–454.
Storms, E., & Mueller, B. (1977). Phase relations and thermodynamic properties of transition metal borides. I. The molybdenum–boron system and elemental boron. The Journal of Physical Chemistry, 81(4), 318–324.
Ferro, N. (1980). The Mo–N (molybdenum–nitrogen) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1(2), 82–85.
Cheng, X.-Y., Chen, X.-Q., Li, D.-Z., & Li, Y.-Y. (2014). Computational materials discovery: The case of the W–B system. Acta Crystallographica Section C: Structural Chemistry, 70, 85–103.
Takeuchi, A., & Inoue, A. (2005). Classification of bulk metallic glasses by atomic size difference, heat of mixing and period of constituent elements and its application to characterization of the main alloying element. Materials Transactions, 46(12), 2817–2829.
Chen, L., Wang, S., Zhang, J., & Zhang, Z. (2021). Microstructure and mechanical properties of TiN–TiB₂–hBN composites fabricated by reactive hot pressing using TiN–B mixture. Materials Science and Engineering: A, 821, 141602.
Zhang, Y., Zhang, J., Wang, S., & Liu, X. (2023). Effect of NiTi content on the mechanical properties and microstructure of TiB₂–TiN-based composite ceramic material prepared using spark plasma sintering. Ceramics International, 49(12), 20415–20423. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.123
Angseryd, J., Elfwing, M., Olsson, E., & Andrén, H.-O. (2009). Detailed microstructure of a cBN-based cutting tool material. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 27, 249–255. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.09.008
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 В.О. Щерецький, Д.С. Каніболоцький, О.А. Щерецький, А.М. Верховлюк
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
