Шеховцов Валентин Валерьевич, канд. техн. наук
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
Valentin V. Shekhovtsov, PhD
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk
Семеновых Марк Андреевич, канд. техн. наук
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
Mark A. Semenovykh, PhD
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk
Улмасов Ахрорбек Боходиржон, аспирант
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
Akhrorbek B. Ulmasov, Research Assistant
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk
Дятчина Дарья Сергеевна, студентка
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
Darya S. Dyatchina, Student
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk
Анисимова Екатерина Алексеевна, студентка
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
Yekaterina A. Anisimova, Student
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk
Актуальность. Развитие водородной металлургии и производства специальных сталей предъявляет повышенные требования к термомеханическим и химическим свойствам огнеупоров. Исследование посвящено решению актуальной научно-технической задачи, связанной с разработкой перспективных муллитсодержащих материалов для высокотемпературных применений в условиях экстремальных энергетических воздействий.
Материалы и методы. Экспериментально установлены оптимальные параметры плазменно-дугового синтеза муллита (сила тока 80–90 А, время воздействия 15–25 с), обеспечивающие формирование монолитных сферических продуктов с минимальной дефектностью. Методами рентгеновской дифракции и компьютерной томографии выявлен механизм изоморфного замещения в условиях плазменного воздействия, приводящий к образованию нестехиометричных твердых растворов на основе корунда.
Результаты. Проведен сравнительный анализ спекания материалов на основе природного сырья и чистых оксидов, установивший принципиальные различия в механизмах уплотнения. Показано, что керамика из чистых оксидов уплотняется за счет объемной диффузии с образованием равноосной структуры, размер зерна (3,2 ± 0,5) мкм, в то время как природные материалы спекаются через жидкофазный механизм с формированием игольчатых кристаллов муллита. Определены температурные режимы спекания: для керамики из чистых оксидов основной прирост плотности достигается при 1400–1500 °C, тогда как природные материалы требуют температур 1500–1550 °C для интенсивного уплотнения.
Результаты. В результате исследований плазменно-дугового синтеза муллитсодержащих материалов установлено, что экстремальные условия плазмы (5000–7000 °C) индуцируют сложные физико-химические процессы, а оптимальный режим при силе тока 80–90 А обеспечивает формирование монолитных сферических продуктов с минимальной дефектностью. Установлены параметры энергетического воздействия на структурнофазовые характеристики и свойства конечного продукта. Полученные результаты имеют практическую значимость для создания энергоэффективных керамических материалов с заданными структурно-функциональными характеристиками.
The development of hydrogen metallurgy and production of special steels place increased demands on thermomechanical and chemical properties of refractories. This work addresses a pressing scientific and technical challenge relating to the development of promising mullite-containing materials for high-temperature applications under extreme energy conditions.
Purpose: Arc synthesis plasma of mullite-containing materials.
Methodology/approach: The best parameters of mullite synthesis in arc discharge plasma at 80–90 A current and 15–25 s exposure, are detected empirically, ensuring the formation of monolithic spherical products with the lowest number of defects. X-ray diffraction and computed tomography are used to identify the isomorphic substitution mechanism, leading to the formation of non-stoichiometric corundum-based solid solutions. A comparative analysis of sintering ceramics based on natural raw materials and pure oxide shows fundamental differences in the compaction mechanism. It is shown that ceramics made of pure oxides compacts through the volume diffusion, forming the equiaxed structure (grain size: 3.2 ± 0.5 μm), while natural materials sinter through a liquid-phase mechanism, forming acicular mullite crystals. The sintering temperature is 1400 to 1500 °C for pure oxide ceramics. The main density increase is achieved in this temperature range, while natural materials require temperatures of 1500 to 1550 °C for an intensive compaction.
Research findings: Arc synthesis plasma of mullite-containing materials shows that extreme plasma conditions (5000–7000 °C) induce complex physicochemical processes, while the best current ranges between 80 and 90 A. It ensures the formation of monolithic spherical products with the lowest number of defects. Parameters are determined for the energy impact on the structure, phase composition and properties of the final product.
Practical implication: The obtained results have practical significance for the creation of energy-efficient ceramic materials with specified structural and functional properties.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.