Synthesis of titanium hydrides and obtaining of alloys based on them.pdf Титан и его сплавы относятся к числу металлических материалов, которые получили применение благодаря комплексу свойств, таких как сравнительно большая распространенность в природе, малая плотность, малый удельный вес, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость и жаропрочность [1, 2]. Алюминий является основным легирующим элементом для титана, он повышает температуру аллотропического превращения титана, увеличивает растворимость изоморфных и эвтектоидообразующих Р-стабилизаторов в a-Ti. Благодаря высоким функциональным свойствам система Ti-Al является базисной при создании многих титановых сплавов широкого применения в аэрокосмической, химической и нефтехимической промышленности [3, 4]. Сплавы системы Ti-Al на основе интерметаллидных соединений обладают высокой удельной жаропрочностью, стойкостью к окислению, высоким модулем упругости и малой плотностью. Такие композиционные материалы способны работать в условиях повышенных температур и нагрузок [5, 6]. Современные методы производства бинарных и многокомпонентных сплавов основываются на технологиях плавки (индукционной, электродуговой или электронно-лучевой) либо порошковой металлургии. Каждое из этих направлений характеризуется заметной трудоемкостью и аппаратурными сложностями (применение глубокого вакуума и создание инертной среды при высоких температурах, продолжительность и многократность процессов и др.). Методы порошковой металлургии характеризуются особой длительностью, поскольку скорость взаимодействия металлов в исходных смесях в основном определяется скоростями диффузии в твердом состоянии. Специфические сложности получения качественных сплавов связаны также с наличием на поверхностях частиц тугоплавких металлов плотной пассивирующей пленки, препятствующей процессам взаимной диффузии. В этой связи поиск новых эффективных методов получения бинарных и многокомпонентных сплавов с заданными физико-техническими свойствами является актуальным в современном материаловедении [7]. В данной работе предложен новый метод получения сложных композиционных материалов системы Ti-Al, позволяющий получать системы заданного состава с термодинамически устойчивыми интерметаллидными фазами системы Ti-Al согласно диаграмме состояния бинарной системы [8]. Получение материалов состоит из трех последовательных стадий: получение гидрида титана, прессование порошков полученного гидрида и алюминия с последующим отжигом при заданной температуре. В настоящей работе получены новые материалы системы Ti-Al и исследован их фазовый состав. Экспериментальная часть В качестве исходных материалов использовали губчатый титан, из которого получали соответствующий гидрид. Навеску металлического титана помещали в кварцевую лодочку и отжигали в печи в токе водорода, используя промышленный генератор водорода (QL3000 Китай). Скорость нагрева печи составляла 10°С/мин до (375-450)°С со скоростью подачи водорода (500-800) мл/мин. Затем образец выдерживали в течение 0,5-1,5 ч и продолжали нагрев до температуры (800-1050)°С при скорости подачи водорода (1000-2000) мл/мин и охлаждали до комнатной температуры. Полученный таким путем гидрид титана смешивали с нанодисперс-ным порошком алюминия (средний размер частиц (115 ± 10) нм, значение удельной поверхности (19,4 ± 3) м2/г, содержание алюминия - (80,8 ± 0,6)%) и прессовали под давлением (10-20) МПа. На выходе формировалась круглая пластина в форме таблетки диаметром 20 мм и толщиной 2 мм. Полученные таким образом таблетки помещали в кварцевую лодочку и отжигали в программированном температурном режиме до (800-1050)°С. Получение образцов осуществлялось в вакуумной системе. Рентгенофазовый анализ (РФА) полученных композитов на основе титана проводили на дифрактометре Rigaku Miniflex 600 с использованием CuKa-излучения в интервале 10-90° (20) с шагом сканирования 0,02° и скоростью съемки 2 град/мин. Идентификацию дифракционных максимумов, расчет областей когерентного рассеяния (ОКР) проводили с помощью базы данных JSPDS. Результаты и их обсуждение Указанным методом была получена серия образцов при вариации соотношения элементов (таблица). Выбор компонентов и состава смеси соответствует диаграмме состояния Ti-Al [8]. Состав исследуемых синтезируемых сплавов системы Ti-Al № п/п Состав, масс. % Мольное соотношение в смеси Ti Al 1 100 0 Ti 2 50 50 Ti : Al 3 44,2 55,8 5Ti : 11Al 4 39,5 60,5 Ti : 2Al 5 36,7 63,3 Ti : 3Al 6 34,31 65,7 3Ti : Al 7 23,5 76,5 2Ti : 11Al 8 0 100 Al Образец с мольным соотношением Ti : Al идентифицирован как алю-минид титана состава TiAl тетрагональной сингонии (пространственная группа P4/mmm) с параметрами решетки а = Ъ = 0,28241 нм, с = 0,40856 нм и размером ОКР (22 ± 5) нм. Образец, синтезированный с мольным соотношением 5Ti : 11Al, содержит смесь фаз, состоящую из 39 масс. % TiAl, которая имеет тетрагональную сингонию (пространственная группа P4/mmm) с параметрами решетки а = b = 0,2805 нм, с = 0,4042 нм и из 59 масс. % TiAl2 гексагональной сингонии (пространственная группа I41/amd) с параметрами решетки а = b = 0,3951 нм, с = 2,3882 нм. Размер ОКР в данном образце составляет порядка (27 ± 5) нм. Образец c мольным соотношением Ti : 2Al, по данным РФА, содержит основную фазу TiAl2 тетрагональной сингонии (пространственная группа I41/amd) с параметрами решетки а = Ъ = 0,39734 нм, с = 2,42847 нм со средним размером ОКР (16 ± 5) нм. Образец с мольным соотношением Ti : 3Al содержит основную фазу TiAl3. Фаза Al3Ti имеет объемно-центрированную решетку тетрагональной синго-нии (пространственная группа I4/mmm) с параметрами решетки: а = Ъ = 0,3850 нм, с = 0,8609 нм. Размер ОКР в данной фазе равен (20 ± 5) нм. Образец, синтезированный с мольным соотношением 3Ti : 10Al представляет собой фазу TiAl3 гексагональной сингонии (пространственная группа РбЗ/mmc) с параметрами решетки а = Ъ = 0,5796 нм, с = 0,4656 нм и размером ОКР (10±5) нм. В образце с мольным соотношением 2Ti : 11Al, присутствует смесь фаз, состоящая из 36 масс. % Ti3Al и 64 масс. % из a-Ti. Фаза Ti3Al имеет объемно-центрированную решетку тетрагональной син-гонии с параметрами a = b = 0,5882 нм, с = 0,4680 нм, пространственная группа I4/mmm. Фаза a-Ti (твердый раствор алюминия в титане) имеет примитивную решетку гексагональной сингонии с параметрами a = b = 0,2970 нм, с = 0,4683 нм, пространственная группа Р63/ттс. Размер ОКР составляет (16 ± 5) нм. На основании результатов и данных РФА построена схема фазообразо-вания в системе Ti-Al (рис. 1). Al, масс. % 55,8 60,3 63,3 65,7 76,5 100 50 Т Т I т о т о. 1150- • 11 ъ ■1050* о-п I I T1AI I I "TIAI: I I TiAls I I- ~ГЪА1 I I- a-Ti H-AI Т1 H:AI 5Ti:11 Al Ti:2A; li:3AI ЗП:10А1 2П:11А1 AI Мольное соотношение компонентов Рис. 1. Фазовый состав системы Ti-Al при варьировании массового содержания алюминия и температуры отжига Заключение Таким образом, предложен новый метод получения материалов на основе системы Ti-Al. Из результатов рентгенофазового анализа установлено формирование интерметаллидных фаз составов Ti3Al, TiAl, TiAl2, TiAl3. Присутствие в образцах фаз Ti3Al и TiAl связано с термодинамикой процесса фазообразования. Формирование данных фаз характеризуется минимумом стандартной энергии Гиббса образования [9]. Необходимо отметить, что все полученные фазы соответствуют диаграмме состояния и характеризуются близкими параметрами кристаллической решетки, соответствующими эталонным значениям. Согласно анализу РФА-спектров, все полученные фазы имеют ОКР до 100 нм. Данный факт показывает, что выбранным методом можно получать сложные композиции, содержащие дисперсные интерметаллидные фазы системы Ti-Al.

Скачать электронную версию публикации