Synthesis, structure and characteristics of Ti ₃SiC ₂ and Nb .pdf Создание новых материалов и технологий их производства является одной из важных научных и прикладных задач физического материаловедения. При разработке таких материалов особый интерес представляют материалы нового класса - МАХ-фазы. Это тройные соединения, которые отвечают общей формуле М„+1АХ„, где М - переходный металл; А - элемент IIIA или IVA группы периодической системы элементов; Х - углерод или азот (или оба). Отличительная особенность этих материалов заключается в строении гексагональных кристаллических решёток, в которых слои атомов элементов М и А чередуются в определённой последовательности, а атомы углерода (или азота) располагаются в октаэдрических порах между атомами элемента М. Особенности строения их кристаллических решёток обусловливают уникальное сочетание в таких материалах свойств металла и керамики. Для получения материалов на основе МАХ-фаз используют различные методы [1-5]. Основным методом получения материалов на основе МАХ-фаз является спекание, которое требует больших затрат энергии и времени. Альтернативой спеканию является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). В настоящей работе изучены фазовый состав, микроструктура и некоторые свойства СВС-материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. Для приготовления реакционных смесей использовали порошки титана марки ТПП8, кремния марки КР-1 (63) и алюминия марки АСД4. Экспериментальная часть Фазовый состав СВ-синтезированных материалов определяли на ди-фрактометре ДРОН-2 (CoK а-излучение). Для изучения микроструктуры использовали оптический (Axiovert 200M, Karl Zeiss) и растровый электронный (SEM515, Philips) микроскопы. Для определения концентрации компонентов применяли микрорентгеноспектральный анализ (CAMEBAX MICROBEAM). На рис. 1 представлена термограмма горения состава Ti-Si-C (Ti3SiC2). Максимальная температура горения составляет (2 373 + 25) К, что заметно ниже адиабатической температуры горения (3 008 К), но выше температур плавления титана (1 937 К), кремния (1 723 К), а также двойных и тройных эвтектик в исследуемой системе. ЙНр] шшв о о Я >. |Щ0 а. ш с= S V 1 ВЙЮ 5 О О Время, с Рис. 1. Термограмма процесса горения системы Ti-Si-C Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti-Si-C с избытком кремния приводит к образованию композиционного материала Ti3SiC2 - (12-18) об. % TiC (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Фазовый состав композитного материала в зависимости от режима обработки Режим обработки Фазовый состав, об. % Ti3SiC2 TiC TSi2 СВС (пористый продукт) 82-88 18-12 Следы СВС + спекание пористого продукта при 1 423 К, 4 ч 92-93 7 Следы СВС + дробление и помол пористого продукта + спекание порошка при 1 473 K, 4 ч 93 7 Следы СВС + дробление и помол пористого продукта + спекание порошка при 1 673 К, 4 ч 100 Следы - Наблюдаются также следы силицидов TiSi и TiSi2. После дополнительного спекания продукта СВС в виде образца или порошка, полученного размолом, при температуре 1 473 К в течение 4 ч в вакууме 10-4 мм рт. ст. содержание фазы Ti3SiC2 повышается до 92-98 об. %, а фазы TiC - соответственно понижается. Следы силицидов при этом сохраняются. Увеличение температуры отжига до 1 673 К при сохранении продолжительности спекания приводит к образованию однофазного материала Ti3SiC2. На рис. 2 приведены микроструктуры изломов СВС-композиционного материала Ti3SiC2+15 об. % TiC после механических испытаний на сжатие. Видно, что материал под нагрузкой претерпел интер- и транскристаллит-ное расслоение. Рис. 2. Структура излома СВС-образца Ti3SiC2+15 об. % TiC после механических испытаний Поскольку смесь состава 2Nb+Al+C малоэкзотермична, то получить качественный продукт на основе Nb2AlC методом СВС без дополнительных технологических приёмов не удаётся. По данным рентгенофазового анализа основной фазой в синтезированном продукте является Nb2AlQ присутствуют NbC и интерметаллид ниобия. На рис. 3 приведена структура поверхности излома. Видны характерные для МАХ-фаз зерна в виде пластин. Поскольку образец не был предварительно деформирован, то слоистая структура его зёрен не выявляется. Рис. 3. Структура излома СВС-образца Nb2AlC На первом этапе исследований стояла задача получить в режиме горения материал с наноламинатной структурой в четырёхкомпонентной системе Nb-Al-C-N (аналог соединению Ti2AlN0,5C0,5). Были синтезированы и проанализированы продукты состава 2Nb+Al+0,5С, полученные в режиме горения при давлениях азота 60, 30, 15 и 4 атм. Согласно данным рент-генофазового анализа, при давлениях азота 60, 30, 15 атм образуются многофазные продукты, состоящие из Al2Nb3C, Nb4N3,9, NbC (рис. 4). И только при давлении азота 4 атм на дифрактограмме синтезированного продукта присутствуют отражения, принадлежащие Nb2AlC. Материал с МАХ-фазой Nb2AlC был получен CBC-методом при использовании химической печки (рис. 4, д). 2 2 1 1 1 г в б а -Г" 40 -Г" 50 -Г" 60 -Г" 70 -Г" 90 -Г 100 20 30 20, град. 4. Дифрактограммы CВC-продуктов системы Nb-Al-С, синтезированных в атмосфере азота: а - при давлении 60 атм; б - при давлении 15 атм; в - при давлении 4 атм; г - в химической печи. 1 - Nb2AlC; 2 - NbC; 3 - Al2Nb3C; 4 - NbC0,5 Рис I too urn | .: jjgg w* ..'л-';; а б Рис. 5. Микроструктуры продуктов системы Nb-Al-С, синтезированных в атмосфере азота: а - 60 атм, б - 4 атм На рис. 5 приведены микроструктуры CВC-продуктов системы Nb-Al-С, полученные при давлениях азота 60 и 4 атм. На микрофотографии 5, а пластинчатые кристаллы принадлежат тройному соединению Al2Nb3C, фазы округлой формы - Nb4N3,9 и NbC. На рис. 5, б приведена микроструктура образца, синтезированного при давлении 4 атм. Хорошо видны кристаллы пластинчатой формы, характерные для образцов с нано-ламинатной структурой. На рис. 6 приведена микроструктура образца состава 2Nb+Al+0,5C, синтезированного CВC-методом с помощью химической печки. Большую часть объёма занимают кристаллы пластинчатой формы, которые, согласно данным рентгенофазового анализа, являются фазой Nb2AlC. Имеются округлые области, появление которых может быть связано с недостатком углерода в исходной шихте. В микроструктуре образцов состава 2Nb+Al+С таких областей нет. Рис. 6. Микроструктура образца состава 2Nb+Al+0,5C, синтезированного с помощью химической печки Заключение Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены композиционные материалы на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. Установлены режимы СВ-синтеза, обеспечивающие в материале максимальное содержание фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC.

Скачать электронную версию публикации