powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2017-4-11-18powder-325Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)ФАЗООБРАЗОВАНИЕ В СИСТЕМЕ Ti–Al–C ПРИ СВСPHASE FORMATION IN TI–AL–C SYSTEM DURING SHSКовалевД. Ю.KovalevD. Yu.

Кандидат технических наук, заведующий лабораторией рентгеноструктурных исследований.

142432, Московская обл., Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Tech.), head of X-Ray investigation Laboratory.

142432, Moscow region, Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

kovalev@ism.ac.ruАверичевО. А.AverichevO. A.

Аспирант лаборатории рентгеноструктурных исследований.

142432, Московская обл., Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Engineer-researcher, Laboratory of plastic deformation.

142432, Moscow region, Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

luginina@ism.ac.ruЛугининаМ. А.LugininaM. A.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории пластического деформирования.

142432, Московская обл., Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Postgraduate student, X-Ray investigation Laboratory.

142432, Moscow region, Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

luginina@ism.ac.ruБажинП. М.BazhinP. M.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории пластического деформирования.

142432, Московская обл., Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Tech.), senior researcher, Laboratory of plastic deformation.

142432, Moscow region, Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

olimp@ism.ac.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН)РоссияInstitute of structural macrokinetics and materials science RASRussian Federation201721122017041118Copyright © Ковалев Д.Ю., Аверичев О.А., Лугинина М.А., Бажин П.М., 20172017Ковалев Д.Ю., Аверичев О.А., Лугинина М.А., Бажин П.М.Kovalev D.Y., Averichev O.A., Luginina M.A., Bazhin P.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/325

Методом времяразрешающей рентгеновской дифракции исследован процесс фазообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) порошковых смесей Ti–Al–C составов, близких к составу МАХ-фаз. Установлено, что формирование материала при горении на воздухе в условиях медленного теплоотвода происходит стадийно. На первом этапе доминирующей является реакция образования карбида титана, обеспечивающая основное тепловыделение и распространение фронта горения. В результате формируются кристаллы TiC, окруженные расплавом Ti–Al. За фронтом горения происходит растворение карбида титана в окружающем расплаве с последующей кристаллизацией тройного соединения – Ti2AlC. При синтезе в среде гелия, обеспечивающей быстрый теплоотвод, не наблюдается формирования TiC. Первой фазой, возникающей на дифракционном поле, является Ti2AlC. Период существования TiC, составляющий 5–10 с для смесей, синтезированных на воздухе, существенно уменьшается при проведении процесса в среде гелия и не превышает 1 с. В результате СВС получен композиционный материал на основе фазы Ti2AlC, содержащий менее 20 мас.% TiAl и 2 мас.% TiC. Структура материала характеризуется пластинчатыми зернами Ti2AlC, окруженными матрицей TiAl. Микротвердость синтезированных материалов составила 4,0–4,5 ГПа и соответствует микротвердости фазы Ti2AlC. Дисперсность зерен Ti2AlC при синтезе в среде гелия ниже, чем при синтезе на воздухе. При медленном охлаждении на воздухе размеры пластинчатых зерен МАХ-фазы вырастают до 8–15 мкм в длину и 2–5 мкм в ширину. В гелии дисперсность Ti2AlC ниже – длина и ширина зерен не превышают 8 и 1 мкм соответственно.

The phase formation of Ti–Al–C powder mixtures with compositions close to the composition of the MAX phases in self-propagating high-temperature synthesis (SHS) was investigated using time resolved X-ray diffraction. It is found that material formation during combustion in air under low heat removal rates is a staged process. At the first stage, the dominant is the reaction of titanium carbide formation providing major heat release and combustion front propagation. As a result, TiC crystals surrounded by the Ti–Al melt are formed. Behind the combustion front titanium carbide dissolves in the surrounding melt and then the Ti2AlC ternary compound is crystallized. TiC formation is not observed with the synthesis in helium providing high heat removal rates. The first phase emerging on the diffraction field is Ti2AlC. The TiC life cycle of 5–10 s for air-synthesized mixtures is significantly reduced for helium processes and does not exceed 1 s. SHS reaction in helium yielded a Ti2AlC-based composite containing less than 20 wt.% of TiAl, and 2 wt.% of TiC. The material structure is characterized by laminated Ti2AlC grains surrounded by the TiAl matrix. The microhardness of synthesized materials was 4,0–4,5 GPa that corresponds to that of the Ti2AlC phase. Ti2AlC grains synthesized in helium are smaller than in air. Laminated MAX-phase grain sizes grow up to 8–15 μm in length and 2–5 μm in width at slow air cooling. The Ti2AlC grain size in helium is lower – up to 8 μm in length and 1 μm in width.

МАХ-фаза Ti2AlCсамораспространяющийся высокотемпературный синтезвремяразрешающая рентгеновская дифракцияфазообразованиеTi2AlC MAX phaseself-propagating high-temperature synthesistime resolved X-ray diffractionphase formationReferencesBarsoum M.W., El-Raghy T. Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: Ti3SiC2. J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. P. 1953—1956.Barsoum M.W., El-Raghy T. Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: Ti3SiC2. J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. P. 1953—1956.Barsoum M.W., Bridkin D., Raghy T.E. Layered machinable ceramics for high temperature applications. Scr. Metall. Mater. 1997. Vol. 36. P. 535—539.Barsoum M.W., Bridkin D., Raghy T.E. Layered machinable ceramics for high temperature applications. Scr. Metall. Mater. 1997. Vol. 36. P. 535—539.Barsoum M.W. The Мn+1АХn phases: a new class of solids. Prog. Solid St. Chem. 2000. Vol. 28. P. 201—281.Barsoum M.W. The Мn+1АХn phases: a new class of solids. Prog. Solid St. Chem. 2000. Vol. 28. P. 201—281.Barsoum M.W. MAX phases: properties of machinable ternary carbides and nitrides. 1 ed. N.Y.: Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, 2013.Barsoum M.W. MAX phases: properties of machinable ternary carbides and nitrides. 1 ed. N.Y.: Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, 2013.Rahman A., Rahaman Z. Study on structural, electronic, optical and mechanical properties of MAX phase compounds and applications. Amer. J. Modern Phys. 2015. Vol. 4. No. 2. P. 75—91.Rahman A., Rahaman Z. Study on structural, electronic, optical and mechanical properties of MAX phase compounds and applications. Amer. J. Modern Phys. 2015. Vol. 4. No. 2. P. 75—91.Tallman D.J., Anasori B., Barsoum M.W. A critical review of the oxidation of Ti2AlC, Ti3AlC2 and Cr2AlC in air. Mater. Res. Lett. 2013. Vol. 1. P. 115—125.Tallman D.J., Anasori B., Barsoum M.W. A critical review of the oxidation of Ti2AlC, Ti3AlC2 and Cr2AlC in air. Mater. Res. Lett. 2013. Vol. 1. P. 115—125.Poon B., Ponson L., Zhao J., Ravichandran G. Damage accumulation and hysteretic behavior of MAX phase materials. J. Mech. Phys. Solids. 2011. Vol. 59. P. 2238—2257.Poon B., Ponson L., Zhao J., Ravichandran G. Damage accumulation and hysteretic behavior of MAX phase materials. J. Mech. Phys. Solids. 2011. Vol. 59. P. 2238—2257.Zhang H.B., Bao Y.W., Zhou Y.C. Current status in layered ternary carbide Ti3SiC2: A review. J. Mater. Sci. Technol. 2009. Vol. 25. No. 1. P. 1—38.Zhang H.B., Bao Y.W., Zhou Y.C. Current status in layered ternary carbide Ti3SiC2: A review. J. Mater. Sci. Technol. 2009. Vol. 25. No. 1. P. 1—38.Barsoum M.W., Ali M., El-Raghy T. Processing and characterization of Ti2AlC, Ti2AlN, and Ti2AlC0,5N0,5. Metall. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31. P. 1857—1863.Barsoum M.W., Ali M., El-Raghy T. Processing and characterization of Ti2AlC, Ti2AlN, and Ti2AlC0,5N0,5. Metall. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31. P. 1857—1863.Zhou W.B., Mei B.C., Zhu J.Q., Hong X.L. Rapid synthesis of Ti2AlC by spark plasma sintering technique. Mater. Lett. 2005. Vol. 5. P. 131—139.Zhou W.B., Mei B.C., Zhu J.Q., Hong X.L. Rapid synthesis of Ti2AlC by spark plasma sintering technique. Mater. Lett. 2005. Vol. 5. P. 131—139.Новиков А.С., Пайкин А.Г., Шулов В.А. Получение, свойства и перспективы применения МАХ-материалов на основе титана. Упроч. технологии и покрытия. 2006. No. 11. С. 24—34; Novikov A.S., Paikin A.G., Shulov V.A. Poluchenie, svoistva i perspektivy primeneniya MAX-materialov na osnove titana [Preparation, properties and application prospects MAX-titanium-based materials]. Uprochnyaushchie tekhnologii i pokrytiya. 2006. No. 11. P. 24—34.Новиков А.С., Пайкин А.Г., Шулов В.А. Получение, свойства и перспективы применения МАХ-материалов на основе титана. Упроч. технологии и покрытия. 2006. No. 11. С. 24—34; Novikov A.S., Paikin A.G., Shulov V.A. Poluchenie, svoistva i perspektivy primeneniya MAX-materialov na osnove titana [Preparation, properties and application prospects MAX-titanium-based materials]. Uprochnyaushchie tekhnologii i pokrytiya. 2006. No. 11. P. 24—34.Hendaoui A., Andasmas M., Benaldjia A., Langlois P., Vrel D. SHS of high-purity MAX compounds in the Ti—Al—C system. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. No. 2. Р. 129—136.Hendaoui A., Andasmas M., Benaldjia A., Langlois P., Vrel D. SHS of high-purity MAX compounds in the Ti—Al—C system. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. No. 2. Р. 129—136.Vadchenko S.G., Sytschev A.E., Kovalev D.Yu., Shukin A.S, Belikova A.F. SHS of MAX compounds in the Ti—Si—C system: influence of mechanical activation. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 3. P. 141—144.Vadchenko S.G., Sytschev A.E., Kovalev D.Yu., Shukin A.S, Belikova A.F. SHS of MAX compounds in the Ti—Si—C system: influence of mechanical activation. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 3. P. 141—144.Yeh C.L., Kuo C.W., Chu Y.C. Formation of Ti3AlC2/Al2O3 and Ti2AlC/Al2O3 composites by combustion synthesis in Ti—Al—C—TiO2 systems. J. Alloys Compd. 2010. Vol. 494. P. 132—136.Yeh C.L., Kuo C.W., Chu Y.C. Formation of Ti3AlC2/Al2O3 and Ti2AlC/Al2O3 composites by combustion synthesis in Ti—Al—C—TiO2 systems. J. Alloys Compd. 2010. Vol. 494. P. 132—136.Liu Z., Han Q., Huang Z., Xing J., Gao Y. Sonochemical combustion synthesis of purer Ti2AlC from Ti—Al—C system. Chem. Eng. J. 2016. Vol. 288. P. 532—538.Liu Z., Han Q., Huang Z., Xing J., Gao Y. Sonochemical combustion synthesis of purer Ti2AlC from Ti—Al—C system. Chem. Eng. J. 2016. Vol. 288. P. 532—538.Thomas T., Bowen C. Effect of particle size on the formation of Ti2AlC using combustion synthesis. Ceram. Int. 2016. Vol. 42. P. 4150—4157.Thomas T., Bowen C. Effect of particle size on the formation of Ti2AlC using combustion synthesis. Ceram. Int. 2016. Vol. 42. P. 4150—4157.Bai Y., He X., Li Y., Zhu C., Zhang S. Rapid synthesis of bulk Ti2AlC by self-propagating high temperature combustion synthesis with a pseudo—hot isostatic pressing process. J. Mater. Res. 2009. Vol. 24. No. 8. P. 2528—2535.Bai Y., He X., Li Y., Zhu C., Zhang S. Rapid synthesis of bulk Ti2AlC by self-propagating high temperature combustion synthesis with a pseudo—hot isostatic pressing process. J. Mater. Res. 2009. Vol. 24. No. 8. P. 2528—2535.Lopacinski M., Puszynski J., Lis J. Synthesis of ternary titanium aluminum carbides using self-propagating high-temperature synthesis technique. J. Am. Ceram. Soc. 2001. Vol. 84. P. 3051—3059.Lopacinski M., Puszynski J., Lis J. Synthesis of ternary titanium aluminum carbides using self-propagating high-temperature synthesis technique. J. Am. Ceram. Soc. 2001. Vol. 84. P. 3051—3059.Stolin A.M., Vrel D., Galyshev S.N., Hendaoui A., Bazhin P.M., Sytschev A.E. Hot forging of MAX compounds SHS-produced in the Ti—Al—C system. Int. J. SHS. 2009. Vol. 18. No. 3. Р. 194—197.Stolin A.M., Vrel D., Galyshev S.N., Hendaoui A., Bazhin P.M., Sytschev A.E. Hot forging of MAX compounds SHS-produced in the Ti—Al—C system. Int. J. SHS. 2009. Vol. 18. No. 3. Р. 194—197.Галышев С.Н., Бажин П.М., Столин А.М., Сычев А.Е. Синтез металлокерамики на основе Ti—Al—C в условиях свободного СВС-сжатия. Персп. материалы. 2010. No. 2. С. 81—87; Galyshev S.N., Bazhin P.M., Stolin A.M., Sytchev A.E. Sintez metallokeramiki na osnove Ti—Al—C v usloviyakh svobodnogo SVS-szhatiya [Synthesis cermet based on Ti—Al—C in the free compression]. Perspectivnye materialy. 2010. No. 2. P. 81—87.Галышев С.Н., Бажин П.М., Столин А.М., Сычев А.Е. Синтез металлокерамики на основе Ti—Al—C в условиях свободного СВС-сжатия. Персп. материалы. 2010. No. 2. С. 81—87; Galyshev S.N., Bazhin P.M., Stolin A.M., Sytchev A.E. Sintez metallokeramiki na osnove Ti—Al—C v usloviyakh svobodnogo SVS-szhatiya [Synthesis cermet based on Ti—Al—C in the free compression]. Perspectivnye materialy. 2010. No. 2. P. 81—87.Ponomarev V.I., Kovalev D.Yu. Time-resolved X-ray diffraction during combustion in the Ti—C—B system. Int. J. SHS. 2005. Vol. 14. No. 2. P. 111—117.Ponomarev V.I., Kovalev D.Yu. Time-resolved X-ray diffraction during combustion in the Ti—C—B system. Int. J. SHS. 2005. Vol. 14. No. 2. P. 111—117.Пономарев В.И., Хоменко И.О., Мержанов А.Г. Лабораторный метод динамической рентгенографии. Кристаллография. 1995. Т. 40. No. 1. С. 14—17; Ponomarev V.I., Khomenko I.O., Merzhanov A.G. Laboratornyi metod dinamicheckoi rentgenografii [Laboratory method of dynamic X-ray diffraction]. Kristallografiya. 1995. Vol. 40. No. 1. P. 14—17.Пономарев В.И., Хоменко И.О., Мержанов А.Г. Лабораторный метод динамической рентгенографии. Кристаллография. 1995. Т. 40. No. 1. С. 14—17; Ponomarev V.I., Khomenko I.O., Merzhanov A.G. Laboratornyi metod dinamicheckoi rentgenografii [Laboratory method of dynamic X-ray diffraction]. Kristallografiya. 1995. Vol. 40. No. 1. P. 14—17.Konovalikhin S.V., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E., Vadchenko S.G., Shchukin A.S. Formation of nanolaminate structures in the Ti—Si—C system: A crystallochemical study. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 4. P. 217—221.Konovalikhin S.V., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E., Vadchenko S.G., Shchukin A.S. Formation of nanolaminate structures in the Ti—Si—C system: A crystallochemical study. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 4. P. 217—221.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.