ООО «Метсинтез», Тула, Россия:

С. Н. Юдин, начальник технологического бюро, канд. техн. наук, эл. почта: Sergey-USN@mail.ru
А. В. Касимцев, директор, докт. техн. наук эл. почта: metsintez@yandex.ru

Тульский государственный университет, Тула, Россия:
С. С. Володько, аспирант, кафедра «Физика металлов и материаловедение», эл. почта: volodko.sv@yandex.ru
А. М. Гурьянов, магистрант, кафедра «Физика металлов и материаловедение», эл. почта: alex19021861@gmail.com

Металлотермическим (гидридно-кальциевым) методом из оксидного сырья (Cr₂O₃ + Ta₂O₅) синтезирована тугоплавкая фаза Лавеса TaCr₂ двух составов (серий). Температура синтеза составляла 1200 °C, при этом варьировали избыток восстановителя CaH₂ относительно теоретически необходимого для полного восстановления оксидов. Показано, что независимо от избытка восстановителя или при его полном отсутствии получаемые порошки имеют требуемый химический состав (состав 1: расчетное содержание Cr — 37,38 % (мас.), фактическое — 37,50±0,85 % (мас.); состав 2: расчетное содержание Cr — 35,30 % (мас.), фактическое — 35,38±0,31 % (мас.)). Каких-либо существенных потерь Cr и Ta при синтезе фазы Лавеса в условиях гидридно-кальциевого восстановления Cr₂O₃ и Ta₂O₅ не наблюдалось. Все изготовленные порошки содержали ~0,25 % (мас.) кислорода и 0,025 % (мас.) кальция. Это является хорошим результатом для экспериментальных партий, впервые полученных данным способом. Порошки первой серии (состав 1) независимо от избытка CaH₂ содержали не менее 85 % (мас.) фазы TaCr2 типа С15 и ~10 % (мас.) твердого раствора Cr(Ta). Однако, когда избыток восстановителя составлял >50 % (мас.), появилась высокотемпературная модификация фазы TaCr₂ c гексагональной решеткой типа C14. Такая же картина наблюдалась и во второй серии экспериментов (состав 2). Во всех случаях количество фазы TaCr₂ типа C14 не превышало 5 % (мас.). Порошки состава 2 содержали не менее 90 % (мас.) фазы TaCr2 типа C15 или 95 % (мас.), если были две модификации C15 + C14. В зависимости от избытка восстановителя CaH2 сплавы содержали небольшие количества фаз Cr(Ta) или гидрид Ta2H. В обоих сериях частицы порошков имели мелкодисперсное губчатое строение, в незначительном количестве присутствовали крупные частицы правильной формы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Тульской области (грант по работам в сфере науки и техники № ДС/161 от 29.10.2020).

1. Bei H., Pharr G. M., George E. P. A review of directionally solidified intermetallic composites for high-temperature structural applications. Journal of Materials Science. 2004. Vol. 39. pp. 3975–3984.
2. Anton D. L., Shah D. M., Duhl D. N., Giamei A. F. Selecting hightemperature structural intermetallic compounds: the engineering approach. JOM. 1989. Vol. 41, No. 9. pp. 12–16.
3. Duquette D. J., Stoloff N. S. Aerospace applications of intermetallics. Key Engineering Materials. 1992. Vol. 77–78. pp. 289–304.
4. Liu C. T. Recent advances in ordered intermetallics. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1993. Vol. 288. pp. 3–19.
5. Meier G. H., Pettit F. S. High temperature oxidation and corrosion of intermetallic compounds. Materials Science and Technology. 1992. Vol. 8, No. 4. pp. 331–338.
6. Intermetallic compounds. Structural applications of intermetallic compounds. ed. Westbrook J. H., Fleischer R. L. New York : John Wiley & Sons, 2000. Vol. 3. 346 p.
7. Li C., Hoe J. L., Wu P. Empirical correlation between melting temperature and cohesive energy of binary Laves phases. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2003. Vol. 64. pp. 201–212.
8. Asano S., Ishida S. Magnetism and crystal structure of Laves phase compounds. J. Phys. F: Met. Phys. 1988. Vol. 18. pp. 501–515.
9. Livingston J. D. Laves-phase superalloys? Physica Status Solidi A. 1992. Vol. 131. pp. 415–423.
10. Liu C. T., Stringer J., Mundy J. N. et al. Ordered intermetallic alloys: an assessment. Intermetallics. 1997. Vol. 5. pp. 579–596.
11. Perepezko J. H., Nufies C. A., Yi S.-H., Thoma D. J. Phase stability in processing of high temperature intermetallic alloys. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1997. Vol. 460. pp. 3–14.
12. Von Keitz A., Sauthoff G. Laves phases for high temperatures — Part II: Stability and mechanical properties. Intermetallics. 2002. Vol. 10. pp. 497–510.
13. Bhowmik A., Jones C. N., Edmonds I. M., Stone H. J. Effect of Mo, Al and Si on the microstructure and mechanical properties of Cr – Cr₂Ta based alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 530. pp. 169–177.
14. He Y. H., Liaw P. K., Lu Y. et al. Effects of processing on the microstructure and mechanical behavior of binary Cr – Ta alloys. Materials Science and Engineering A. 2002. Vol. A329–331. pp. 696–702.
15. Xue Y., Li S., Wu Y. et al. Strengthening and toughening effects in laves phase Cr₂Ta/Cr in-situ composites by Si additions. Vacuum. 2020. Vol. 174. pp. 109202.
16. Portnoi V. K., Leonov A. V., Filippova S. E. et al. Mechanochemical synthesis of chromium-based alloys. Inorganic Materials. 2016. Vol. 52, No. 9. pp. 895–901.
17. Hong S., Fu C. L., Yoo M. H. Elastic properties and stacking fault energies of Cr₂Ta. Intermetallics. 1999. Vol. 7. pp. 1169–1172.
18. Bhowmik A., Stone H. J. Microstructure and mechanical properties of two-phase Cr – Cr₂Ta alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 2012. Vol. 43A, No. 9. pp. 3283–3292.
19. Dupin N., Ansara L. Thermodynamic assessment of the Cr – Ta system. Journal of Phase Equilibria. 1993. Vol. 14, No. 4. pp. 451–546.
20. Jiang Y., Zomorodpoosh S., Roslyakova I., Zhang L. Thermodynamic re-assessment of the binary Cr – Ta system down to 0 K. International Journal of Materials Research. 2019. Vol. 110, No. 9. pp. 797–807.
21. Venkatraman M., Neumann J. P. The Cr – Ta (chromium-tantalum) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1987. Vol. 8, No. 2. pp. 112–116.
22. Dorcheh Ali S., Galetz M. C. Challenges in developing oxidation-resistant chromium based alloys for applications above 900 ^oC. JOM. 2016. Vol. 68, No. 11. pp. 2793–2802.
23. Jönsson B., Westerlund A. Oxidation comparison of alumina-forming and chromia-forming commercial alloys at 1100 and 1200 ^oC. Oxidation of Metals. 2017. Vol. 88. pp. 315–326.
24. Brady M. P., Tortorelli P. F., Walker L. R. Correlation of alloy microstructure with oxidation behavior in chromia-forming intermetallic-reinforced Cr alloys. Materials at High Temperatures. 2000. Vol. 17, No. 2. pp. 235–241.
25. Brady M. P., Zhu J. H., Liu C. T. et al. Oxidation resistance and mechanical properties of Laves phase reinforced Cr in-situ composites. Intermetallics. 2000. Vol. 8. pp. 1111–1118.
26. Meerson G. A., Kolchin O. P. On the mechanism of reduction of zirconium and titanium oxides with calcium hydride. Atomnaya energiya. 1957. Vol. 2, Iss. 3. pp. 253–259.
27. Kubaschewski O., Dench W. A. The dissociation pressures in the zirconium-oxygen system at 1000 ^oC. Journal of the Institute of Metals. 1955–56. Vol. 84. pp. 440–444.
28. Kubaschewski O., Dench W. A. the free-energy diagram of the system titanium-oxygen. Journal of the Institute of Metals. 1953–54. Vol. 82. pp. 87–91.
29. GOST 2912–79. Technical chromium oxide. Specifications. Introduced: 01.01.1980.
30. Specification 1764-348-00545484–95. Tantalum pentoxide (pure).
31. Specification 14-1-1737–76. Calcium hydride.
32. Shelekhov E. V., Sviridova T. A. Programs for X-ray analysis of polycrystals. Metal Science and Heat Treatment. 2000. Vol. 42, No. 8. pp. 309–313.