Hf-gebaseerde carbiden zijn zeer wenselijke kandidaten voor thermische beschermingstoepassingen boven 2.000°C vanwege hun extreem hoge smeltpunt en gunstige mechanische eigenschappen. Als cruciale indicator voor samenstellingsontwerp en prestatiebeoordeling is het statische oxidatiegedrag van Hf-gebaseerde carbiden bij hun potentiële gebruikstemperaturen echter zelden onderzocht.

Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Powder Materials onthulde een groep onderzoekers van de Central South University en de China Academy of Launch Vehicle Technology het statische oxidatiemechanisme van (Hf, Ti)C bulks bij 2500°C, evenals het effect van Ti-substituties op hun oxidatiegedrag.

"De toevoeging van het Ti-element kan de microstructuur van de HfC-oxidelaag complexer maken", legt Shiyan Chen, hoofdauteur van het onderzoek, uit. "Normaal gesproken heeft zo'n samengestelde oxidelaag betere beschermende eigenschappen."

De dikte van de oxidelaag op het oppervlak van (Hf, Ti)C was met 62,29% verminderd vergeleken met die op het HfC-monocarbide-oppervlak na oxidatie bij 2.500°C gedurende 2.000 s. De dramatische verbetering van de oxidatieweerstand werd toegeschreven aan de unieke oxidelaagstructuur bestaande uit verschillende kristallijne oxycarbiden, HfO₂ en koolstof.

"Het Ti-rijke oxycarbide ((Ti, Hf)C_x O_y ) verspreid binnen HfO₂ vormden de hoofdstructuur van de oxidelaag. Er bestond een coherente grens met roostervervorming bij de HfO₂ / (Ti, Hf)C_x O_y grensvlak langs de (111) richting van het kristalvlak, dat diende als een effectieve zuurstofdiffusiebarrière", aldus Chen.

Het Hf-rijke oxycarbide ((Hf, Ti)C_x O_y ) samen met (Ti, Hf)C_x O_y , HfO₂ , en neergeslagen koolstof vormde een dichte overgangslaag, die een gunstige binding tussen de oxidelaag en de matrix verzekerde. Bovendien beïnvloedt het Ti-gehalte de diffusie van koolstof in het (Hf, Ti)C-rooster en de verdeling van Ti-rijk oxycarbide, wat de structurele integriteit van de oxidelaag verder zal bepalen. Op basis van de resultaten van de oxidatiekinetiek biedt 30%–40 bij% Ti-substitutie de beste verbetering van de oxidatieweerstand.

Volgens professor Zhaoke Chen, co-leider en corresponderend auteur, vertegenwoordigt deze studie een nieuwe verkenning op het gebied van keramiek op ultrahoge temperatuur (UHTC's). "Onze studie verbetert het begrip van de structurele evolutie tijdens oxidatie bij ultrahoge temperaturen. De bevindingen bieden theoretische richtlijnen voor het optimaliseren van de samenstelling van UHTC's om hun toepassingen bij ultrahoge temperaturen te verbreden", aldus Chen.

Meer informatie: Shiyan Chen et al, Inzicht in het effect van Ti-substituties op het statische oxidatiegedrag van (Hf,Ti)C bij 2500°C, Advanced Powder Materials (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100168

Aangeboden door KeAi Communications Co.