Phase diagram of the B–B₂O₃ system at pressures to 24 GPa

The evolution of topology of the B–B₂O₃ phase diagram has been studied at pressures up to 24 GPa using models of phenomenological thermodynamics with interaction parameters derived from experimental data on phase equilibria at high pressures and high temperatures.Вивчено еволюцію топології фазового діаграми B–B₂O₃ при тисках до 24 ГПа з використанням моделей феноменологічної термодинаміки з параметрами взаємодії, отриманими з експериментальних даних про фазову рівновагу при високих тисках і високих температурах.Изучена эволюция топологии фазового диаграммы B–B₂O₃ при давлениях до 24 ГПа с использованием моделей феноменологической термодинамики с параметрами взаимодействия, полученными из экспериментальных данных о фазовом равновесии при высоких давлениях и высоких температурах

cBN based materials with TiN-Al binder phase: sintering, structure, properties

Cubic boron nitride material was produced via high pressure and high temperature sintering with titanium nitride and aluminum as binder phase. Microstructure, phase composition and physical-mechanical properties of the material were subject of current research. Formation of TiB₂ and AlN was established in samples sintered at temperatures above 1750 °C. The highest values of microhardness were found in samples sintered at the temperature range of 1850 – 2000 °C. Fracture toughness of samples practically does not change during thermobaric sinteringМетодом спекания при высоком давлении и высокой температуре изготовлен материал на основе кубического нитрида бора с использованием нитрида титана и алюминия в качестве связующей фазы. Объект исследования – структура, фазовый состав и физико-механические свойства материала. Установлено, что при температурах спекания выше 1750 °С в результате взаимодействия между компонентами шихты для спекания происходит образование диборида титана TiB₂ и AlN. Наивысшие значения микротвердости демонстрируют образцы, изготовленные в температурном интервале 1850–2000 °С. Трещиностойкость образцов практически не меняется в ходе термобарического спекания. Формирование структуры образцов происходит без укрупнения зерен композита, что свидетельствует об отсутствии собирательной рекристаллизации.Методом спікання при високому тиску і високій температурі виготовлено матеріал на основі кубічного нітриду бору з використанням нітриду титану та алюмінію як зв’язувальної фази. Об’єкт дослідження — структура, фазовий склад та фізико-механічні властивості матеріалу. Встановлено, що при температурах спікання вище 1750 °С в результаті взаємодії між компонентами шихти для спікання відбувається утворення дибориду титану TiB₂ та AlN. Найвищі значення мікротвердості демонструють зразки, виготовлені в температурному інтервалі 1850 – 2000 °С. Тріщиностійкість зразків практично не змінюється в ході термобаричного спікання. Формування структури зразків відбувається без укрупнення зерен композиту, що свідчить про відсутність збиральної рекристалізації

Influence of reinforcement by the whiskers of Si₃N₄ and Mg₂B₂O₅ on the properties of cBN-based composites

Three types of cBN-based composites (without whiskers, reinforced with whiskers of Si₃N₄ and reinforced with whiskers of Mg₂B₂O₅) have been obtained by High Pressure-High Temperature (HPHT) sintering. Density, Young modulus, hardness, Poisson ratio and fracture toughness have been measured for all samples. cBN-based composites, that were reinforced by the whiskers of Si₃N₄, are characterized by better mechanical properties (hardness, fracture toughness) thаn non-reinforced cBN-based composites. But reinforcement by Mg₂B₂O₅ whiskers was insufficient, because Mg₂B₂O₅ whiskers have low thermochemical stability.Методом высокотемпературного спекания под высоким давлением (HPHT спекание) было получено три вида композитов на основе сBN (без микроволокон, армированные микроволокнами Si₃N₄ и армированные микроволокнами Mg₂B₂O₅). Для всех образцов были измерены плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и трещиностойкость. Композиты на основе сBN, армированные микроволокнами Si₃N₄, обладали лучшими механическими свойствами (твердость, трещиностойкость), чем неармированные композиты. Армирование микроволокнами Mg₂B₂O₅ оказалось неэффективным вследствие их низкой термохимической стабильности.За допомогою методу високотемпературного спікання під високим тиском (HPHT синтезу) було отримано три види композитів на основі сBN (без мікроволокон, армовані мікроволокнами Si₃N₄ і армовані мікроволокнами Mg₂B₂O₅). Для усіх композитів були визначені модуль Юнга, коефіцієнт Пуасона та тріщиностійкість. Композити на основі сBN, армовані мікроволокнами Si₃N₄, мали кращі механічні характеристики (твердість, тріщиностійкість), ніж неармовані. Армування мікроволокнами Mg₂B₂O₅ виявилось неефективним внаслідок їх низької термохімічної стабільності

Формування пересичених азотом нітридів в умовах термобаричного спікання BL композитів систем cBN-{TiN, ZrN, HfN, VN, NbN}–Al

З використанням методу рентгеноструктурного аналізу докладно досліджено кристалічну структуру нітридів MeN, які існують в поверхневих шарах HPHT (high pressure, high temperature) спечених (7,7 ГПа, 1600-2450 °С) PcBN композитів систем cBN-{TiN, ZrN, HfN, VN, NbN}–Al складу (об. %) cBN:MeN:Al як 60:35:5. Встановлено, що кристалічна структура кожного нітриду MeN описується в структурній моделі модифікованої структури типу NaCl, яка має для атомів азоту додаткову позицію, часткове заповнення якої веде до накопичення на поверхні зразків певного надлишку азоту, джерелом якого виступають нітриди з глибини композиту. Показано, що в умовах баротермічного впливу суттєву роль в формуванні кристалічних структур нітридів MeN відіграє процес дифузії атомів азоту по дефектам та міжвузлям їх кристалічних граток з внутрішнього об’єму композитів на їх поверхню. Використовуючи в якості опорних величин дані рентгеноструктурних розрахунків, для композитів систем cBN–{TiN, HfN, VN, NbN}–Al визначено основні параметрі цього дифузійного процесу (енергію активації дифузії та константу швидкості). Показано, що енергія активації дифузійного процесу збільшується в ряду HfN → TiN → VN → NbN та корелює з ентальпією утворення кожного з нітридів.The crystal structure of MeN nitrides, existing in the surface layers of PcBN composites of cBN-{TiN, ZrN, HfN, VN, NbN}–Al systems (composition, vol. %: cBN: MeN: Al as (60:35:5, vol. %) sintered at high pressure and high temperature (HPHT, 7.7 GPa, 1600-2450 °C), was studied in detail using the X-ray diffraction structural analysis method. It was shown that the crystal structure of each MeN nitride belonges to the modified NaCl type structure with an additional position partially filled by the nitrogen atoms. The presence of such a position leads to a certain excess of nitrogen on the sample's surface, the source of which is nitrides from the depth of the composite. It is shown that the diffusion of nitrogen atoms through defects and lattice sites of MeN crystal lattices from the bulk to the surface of composite plays an important role in the formation of crystal structures of MeN nitrides at the barothermal conditions. Using the results of X-ray diffraction structural calculations as reference values, the main parameters of this diffusion process (activation energy and rate constant) were determined for cBN-{TiN, HfN, VN, NbN}-Al composites. It is shown that the activation energy of diffusion increases in HfN → TiN → VN → NbN series and correlates with the formation enthalpy of each MeN nitrides

Light scattering by residual pores in Y₂O₃ nanograined ceramics

Correlation between the in-line optical transmittance and residual porosity of Y₂O₃ nanoceramics formed by high-pressure low-temperature sintering has been established. In the limit case, when the pore diameter is much smaller than the wavelength a formula for estimating the porosity at the known value of linear transmittance was obtained. For investigated samples of nanograin composite ceramics with average grain size of 10–20 nm, the pore size of 12 nm and linear transmittance of 50 % at wavelength of 900 nm the calculated value of residual porosity was 0.27 %. Phase composition of Y₂O₃ nanoceramics may be taken into account by varying refractive index of the composite ceramics containing both cubic and monoclinic yttria

Вплив HPHT спікання на кристалічну структуру карбідів NbC і TaC у PcBN композитах систем cBN-NbC-Al і cBN–TaC–Al

Керамо-матричні композити на основі кубічного нітриду бору зі зв'язками, що містять тугоплавкі сполуки перехідних металів та алюміній, широко використовуються для високошвидкісної (300 – 500 м/хв) та чистової металообробки загартованих легованих сталей та жароміцних сплавів. Хороші перспективи практичного застосування для цього мають PcBN композиційні матеріали BL групи отримані в системах cBN-NbC-Al та cBN-TaC-Al (склад шихти в об. % 60:35:5). Метою даної роботи було вивчення впливу умов HPHT спікання (7,7 ГПа, 1600 – 2450 °С) на кристалічну структуру карбідів NbC та TaC, які сумісно із алюмінієм формують зв’язку шихти. В результаті докладного рентгеноструктурного дослідження було показано, що притаманна цим карбідам вихідна кристалічна структура типу NaCl в умовах баротермічного впливу модифікується, набуваючи додаткову позицію для розміщення малих за розміром атомів (азоту або/та вуглецю). При HPHT спіканні взаємодія карбідів NbC та TaC з алюмінієм шихти, а також із азотом, що утворюється при частковому розпаді cBN, веде до утворення твердих розчинів. При цьому, розчинення алюмінію відбувається за типом заміщення ним ніобію або танталу (до 2,5 ат. % Al). Акумулювання азоту в структурі TaC відбувається із дозаповненням ним вакансій в підгратці вуглецю (розчиняється до 1 ат. % N), а в структурі NbC за типом занурення з розміщенням в додатковій позиції модифікованої структури типу NaCl (розчинюється до 5 ат. % N), до якої також частково переміщується вуглець зі свого основного положення. Таке накопичення дефектів веде до суттєвого збільшення параметру гратки карбіду NbC (відносне збільшення 0,28 % для NbC супротив 0,11 % для TaC). Показано, що для композитів систем cBN–NbC–Al та cBN–TaC–Al з найкращими експлуатаційними характеристиками (HPHT спікання при 7,7 ГПа та 2150 °С) склади карбідів можна описати як Nb0,96Al0,04(C,N)1,17 and Ta0,95Al0,05(C,N)1.Ceramic-matrix composites based on cubic boron nitride (cBN) with binders, containing refractory compounds of transition metals and aluminum, are widely used for high-speed (300 – 500 m/min) and finishing metal processing of hardened alloy steels and heat resistant alloys. PcBN composite materials of the BL group obtained in the cBN–NbC–Al and cBN–TaC–Al systems (60:35:5 vol. % charge content) have good application prospects. The purpose of this work was to study the effect of high pressure – high temperature (HPHT) sintering conditions (7.7 GPa, 1600 – 2450 °C) on the crystal structure of NbC and TaC carbides, which form together with aluminum the binder of the charge. As a result of a detailed X-ray diffraction study, it was shown that the original NaCl type crystal structure of these carbides is modified under barothermal exposure. Namely, an additional position for the placement of small atoms (nitrogen and/or carbon) is formed. During HPHT sintering, the interaction of NbC and TaC with Al atoms in the charge, as well as with the nitrogen flow formed during partial decomposition of cBN, results in the formation of solid solutions. At the same time, the dissolution of aluminum takes place in accordance with the type of Nb or Ta atoms substitution by it (up to 2.5 at.% Al). Accumulation of nitrogen atoms in the TaC structure occurs by filling vacancies in the carbon sublattice (dissolves up to 1 at.% N). In the NbC structure this process goes through interstitial of nitrogen atoms with their placement on the additional position of a modified NaCl-type structure (dissolves up to 5 at.% N). Besides, the carbon atom also partially moves from its basic positions. This accumulation of defects leads to a significant increase in the lattice parameter of NbC carbide (a relative increase of 0.28% for NbC versus 0.11% for TaC). It is shown that the carbide compositions can be described as Nb0,96Al0,04(C, N)1,17 and Ta0,95Al0,05(C, N)1. for composites of the cBN–NbC–Al and cBN–TaC–Al systems with the best operational characteristics (HPHT sintering at 7.7 GPa and 2150 °C)