Investigation of combustion synthesis products in titanium, carbon and aluminum powder mixtures.pdf Введение Алюминиды титана являются перспективными материалами для современной техники, сочетающими высокую удельную прочность, особенно при высоких температурах, коррозионную и окалиностойкость. Наибольший интерес в качестве конструкционных представляют материалы на основе алюминидов Ti3Al и TiAl [1]. Рациональным легированием удается уменьшить присущую алюминидам титана хрупкость и получить приемлемую для практического использования пластичность [2, 3]. Практический интерес представляют композиты на основе алюминидной матрицы, упрочненной дисперсными частицами тугоплавких соединений [4], первым кандидатом среди которых следует признать кубический карбид титана [5]. TiC имеет высокую температуру плавления и рекордную среди металлических карбидов твердость, а также хорошую совместимость с большинством металлических матриц, в которых присутствует в виде равноосных включений. Установлено полезное влияние дисперсного карбида на износостойкость алюминидных покрытий на титановом сплаве, нанесенном методом лазерной наплавки [6, 7]. В тройной системе Ti-C-Al происходит активное химическое взаимодействие компонентов, следствием чего является существование множества двойных и тройных соединений, среди которых карбид титана обладает наибольшей отрицательной энергией Гиббса [8]. Поэтому карбид титана образуется в тройных сплавах даже при малом содержании титана и углерода. Благодаря высокой температуре плавления он не разлагается при введении в виде порошка в металлический расплав и используется при литье алюминиевых сплавов в качестве модификатора для измельчения структуры отливок [9, 10]. Для получения алюминидов титана и композитов на их основе широко применяются порошковые технологии: свободное спекание, электроискровое спекание, горячее прессование (HIP). Фазовый состав материалов, получаемых спеканием, помимо элементного состава порошковых смесей, зависит от температурно-временных режимов. Благодаря отрицательным энтальпиям образования двойных и тройных промежуточных соединений в системе Ti-C-Al для получения сплавов широко используется самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) в реакционных порошковых смесях. В смесях, содержащих порошки титана и углерода в эквиатомном соотношении, синтез в режиме волнового горения идет при содержании алюминия до 50 мас.% [11]. Основными продуктами синтеза при этом являются карбид титана и алюминий, образующий металлическую связку. Обширные исследования продуктов СВС проведены на составах, соответствующих тройным соединениям Ti3AlC2 иTi2AlC - так называемым МАХ-фазам [12, 13]. Эти соединения обладают уникальным сочетанием свойств металлов и керамики (высокая электро- и теплопроводность, пластичность, стойкость к тепловому удару, способность к механической обработке, низкая плотность, малый коэффициент термического расширения, высокая окалиностойкость и прочность). Использование энергоэкономичного СВС для получения MAX-фаз кажется заманчивым, однако получить однофазный целевой продукт в сугубо неравновесных условиях синтеза невозможно. Среди побочных фаз основным является карбид титана из-за большой отрицательной энергии Гиббса. Для того чтобы избавиться от побочных фаз в СВС-продуктах, варьируют элементный состав реакционных порошковых смесей или применяют механоактивацию [14, 15]. В случае СВС с последующим приложением давления фазовый состав продуктов синтеза можно регулировать, изменяя время задержки приложения давления после завершения реакции синтеза [16]. Представляется важным в научном и прикладном отношении исследование СВС-продуктов в трехкомпонентных смесях для составов, находящихся в «титановом углу» равновесной диаграммы. Исходя из опубликованных данных о фазовом составе продуктов СВС в смесях Ti-C-Al, карбид титана присутствует при любом содержании титана. Обладая высокой твердостью и равноосной формой частиц, TiC может служить дисперсной упрочняющей фазой в СВС-композитах с матрицами из алюминидов титана или тройных соединений (например, упомянутых выше МАХ-фаз). В настоящей работе исследован фазовый состав и структура продуктов СВС в реакционных смесях Ti-C-Al, шихтовый состав которых рассчитывался исходя из предположения образования двухфазного продукта TiC + Ti3Al. Практическая цель работы - на основе фазового состава и структуры полученных СВС-продуктов оценить перспективы их применения (например, в качестве порошковых фидстоков для получения объемных материалов различными методами компактирования, а также для напыления и наплавки износостойких покрытий). Материалы и методики исследований Реакционные смеси готовили из порошков титана (ТПП-8, < 160 мкм, 99.4%), алюминия (ПА 4, < 100 мкм, 99.3%) и технического углерода (сажи) марки П-803. Порошки смешивали 4 ч всухую и прессовали в цилиндрические образцы 20×25 мм пористостью 35-38%. С целью измерения температуры горения посередине высоты прессовки просверливали глухое отверстие диаметром 2 мм, в которое помещали спай термопары ВР5-ВР20 с диаметром термоэлектродов 100 мкм. Максимальную температуру при прохождении фронта горения определяли из термограмм автоматической записи сигнала с термопары. Шихтовой состав реакционных смесей и результаты расчета содержания фаз (при условии отсутствия в продуктах синтеза других фаз кроме TiC и Ti3Al) приведены в табл. 1. При расчете предполагалось, что весь углерод уходит в карбид титана эквиатомного состава. Содержание титана - основного компонента в реакционных смесях - было практически постоянным, а соотношение углерода и алюминия изменялось в широком интервале за счет монотонного уменьшения содержания углерода при одновременном увеличении содержания алюминия. Таблица 1 Состав реакционных смесей и целевой фазовый состав Номер состава Гипотетический целевой состав продуктов СВС Содержание в смесях, вес.% C Ti Al 1 TiC + 10 мас.% Ti3Al 18 80.4 1.6 2 TiC + 20 мас.% Ti3Al 16 80.8 3.2 3 TiC + 30 мас.% Ti3Al 14 81.3 4.7 4 TiC + 40 мас.% Ti3Al 12 81.7 6.3 5 TiC + 50 мас.% Ti3Al 10 82.1 7.9 6 TiC + 60 мас.% Ti3Al 8 82.5 9.5 Синтез проводили в герметичном реакторе в среде аргона с избыточным давлением около 0.5 атм. Горение инициировали нагревом поджигающей таблетки молибденовой спиралью. Полученные пористые спеки дробили с рассевом на фракции. Гранулы композиционных порошков были исследованы на оборудовании Центра коллективного пользования «Нанотех» ИФПМ СО РАН и Материаловедческого центра коллективного пользования Томского госуниверситета методами оптической микроскопии (AXIOVERT-200 MAT, «Zeiss», Germany), растровой электронной микроскопии (EVO 50, «Zeiss», Germany) и рентгеноструктурного анализа (дифрактометр XRD-6000, CuKα-излучение.) Анализ фазового состава проведен с использованием баз данных PDF 4+, а также программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4. Результаты и их обсуждение Рис. 1. Зависимость температуры горения в волновом режиме от гипотетического целевого состава продукта синтеза Было установлено, что на прессованных образцах всех исследованных смесей наблюдается устойчивое горение в волновом режиме. Результаты измерения температуры горения приведены на рис. 1. Температура горения монотонно снижается при уменьшении в смесях содержания углерода с одновременным увеличением содержания алюминия. Большой разброс значений для составов с 10 и 20% Ti3Al объясняется разрушением термоэлектродов при прохождении высокотемпературного фронта через незащищенный спай. Причины монотонного снижения температуры на фронте и влияние температуры горения на структуру продуктов синтеза будут обсуждены ниже. Рентгенограммы, снятые с гранул размером

Скачать электронную версию публикации