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-2018-2-43-53powder-366Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)СИНТЕЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ «TIC – СВЯЗКА ИЗ СПЛАВА NICRBSI» ДЛЯ НАПЛАВКИ И НАПЫЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙSYNTHESIS OF COMPOSITE POWDERS «TIC – NICRBSI ALLOY BINDER» FOR CLADDING AND DEPOSITION OF WEAR-RESISTANT COATINGSПрибытковГ. А.PribytkovG. A.

докт. техн. наук, доцент, гл. науч. сотрудник лаборатории физики наноструктурных функциональных материалов,

634055, г. Томск, Академический пр-т, 2/4

Dr. Sci. (Tech.), Assistant professor, Senior scientist, Laboratory of physics of nanostructured functional materials, 

634055, Tomsk, Akademicheskii av. 2/4

gapribyt@mail.ruФирсинаИ. А.FirsinaI. A.

канд. техн. наук, мл. науч. сотрудник лаборатории физики наноструктурных функциональных материалов

Cand. Sci. (Tech.), Junior researcher, Laboratory of physics of nanostructured functional materials

iris1983@yandex.ruКоржоваВ. В.KorzhovaV. V.

канд. техн. наук, науч. сотрудник лаборатории физики наноструктурных функциональных материалов

Cand. Sci. (Tech.), Research scientist, Laboratory of physics of nanostructured functional materials

vicvic5@mail.ruКриницынМ. Г.KrinitсynM. G.

технолог лаборатории физики наноструктурных функциональных материалов

Technologist, Laboratory of physics of nanostructured functional materials

krinmax@gmail.comПолянскаяА. А.PolyanskayaA. A.

студент,

634050, г. Томск, пр. Ленина 30

Student, 

634050, Tomsk, Lenina av. 30

polyanskaya38@gmail.comИнститут физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RAS (ISPMS SB RAS)Russian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияTomsk Polytechnic UniversityRussian Federation201818062018024353Copyright © Прибытков Г.А., Фирсина И.А., Коржова В.В., Криницын М.Г., Полянская А.А., 20182018Прибытков Г.А., Фирсина И.А., Коржова В.В., Криницын М.Г., Полянская А.А.Pribytkov G.A., Firsina I.A., Korzhova V.V., Krinitсyn M.G., Polyanskaya A.A.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/366

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в реакционных порошковых смесях титана, углерода (сажи) и NiCrBSi-сплава получены металломатричные композиты состава TiC – связка из NiCrBSi-сплава. Установлено, что устойчивое горение в стационарном режиме возможно при содержании в реакционных смесях инертной в тепловом отношении металлической связки до 50 об.%. Полученные в результате синтеза рыхлые спеки легко дробятся для последующего выделения ситовым рассевом необходимой для нанесения покрытий фракции композиционного порошка. Продукты синтеза исследованы методами оптической и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного (РСА) и микрорентгеноспектрального (МРСА) анализов. Установлено, что средний размер карбидных включений в структуре композитов зависит от содержания инертного в тепловом отношении порошка сплава в реакционных смесях и может целенаправленно регулироваться в широких пределах. Микротвердость гранул композиционного порошка, полученного дроблением СВС-спеков, монотонно уменьшается с увеличением содержания более мягкой, чем карбид титана, металлической связки. Параметр кристаллической решетки карбида титана, определенный методом РСА, оказался значительно меньше известных значений для карбида эквиатомного состава. С помощью локального МРСА карбидных включений в структуре композита установлено, что отношение массовых содержаний углерода и титана равно 0,21 вместо 0,25 для получения карбида эквиатомного состава. Концентрации железа и кремния в карбиде ничтожно малы, кислорода и никеля – менее 1 мас.%, а хрома – 2,5 мас.%. На основе анализа известных данных о влиянии всех вышеперечисленных примесей на решетку карбида титана сделан вывод о том, что дефицит углерода является основной причиной уменьшения параметра решетки.

TiC + NiCrBSi binder metal matrix composites were obtained by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the reaction powder mixtures of titanium, carbon (carbon black) and NiCrBSi alloy. It has been found that steady combustion in a stationary mode occurs when the content of the thermally inert metal binder in reactive mixtures does not exceed 50 vol.%. Porous SHS cakes were crashed and resulting granules were separated to fractions by screening to get the composite powder fraction necessary for coating application. Synthesis products were studied by optical and scanning electron microscopy, X-ray diffraction and electron microprobe analysis. It has been found that the average size of carbide inclusions depends on the content of thermally inert alloy powder in the reaction mixtures and can be purposefully regulated in a wide range. The microhardness of composite powder granules obtained by crushing the SHS conglomerates decreases monotonically with an increasing content of the metal binder having hardness less than that of titanium carbide. According to X-ray diffraction data, the titanium carbide lattice parameter turns out to be considerably less than values known for equiatomic titanium carbide. It has been found by electron microprobe analysis of carbide inclusions in the composite structure that the ratio of carbon and titanium mass contents is 0,21 as compared with 0,25 in equiatomic titanium carbide. Iron and silicon contents in the carbide are negligible, oxygen and nickel contents are below 1 wt.%, and chromium content is 2,5 wt.%. The analysis of known data on the effect of all the above-listed dopants on the titanium carbide lattice allows for a conclusion that the carbon deficit is a main reason of the lattice parameter reduction.

самораспространяющийся высокотемпературный синтезкарбид титанаметалломатричный композитструктурадисперсностьтвердостьэлементныйсоставпараметр решеткиself-propagating high-temperature synthesistitanium carbidemetal matrix compositestructuredispersityhardnesselemental compositionlattice parameterРФФИ; В.П. Кривопалов (ИФПМ СО РАН )ReferencesGonzález R., Cadenas M., Fernández R., Cortizo J.L., Rodríguez E. Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser // Wear. 2007. Vol. 262. P. 301—307.González R., Cadenas M., Fernández R., Cortizo J.L., Rodríguez E. Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser. Wear. 2007. Vol. 262. P. 301—307.Navas C., Colaço R., de Damborenea J., Vilar R. Abrasive wear behaviour of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings // Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6854—6862.Navas C., Colaço R., de Damborenea J., Vilar R. Abrasive wear behaviour of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6854—6862.Xuan H.-F., Wang Q.-Y., Bai Sh.-L., Liu Z.-D., Sun H.-G., Yan P.-Ch. A study on microstructure and flame erosion mechanism of a graded Ni—Cr—B—Si coating prepared by laser cladding // Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 244. P. 203—209.Xuan H.-F., Wang Q.-Y., Bai Sh.-L., Liu Z.-D., Sun H.-G., Yan P.-Ch. A study on microstructure and flame erosion mechanism of a graded Ni—Cr—B—Si coating prepared by laser cladding. Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 244. P. 203—209.Zhang X.C., Xu B.S., Xuan F.Z., Wang Z.D., Tu S.T. Failure mode and fatigue mechanism of laser-remelted plasma-sprayed Ni alloy coatings in rolling contact // Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 205. P. 3119—3127.Zhang X.C., Xu B.S., Xuan F.Z., Wang Z.D., Tu S.T. Failure mode and fatigue mechanism of laser-remelted plasma-sprayed Ni alloy coatings in rolling contact. Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 205. P. 3119—3127.Gurumoorthy K., Kamaraj M., Prasad Rao K., Sambasiva Rao A., Venugopal S. Microstructural aspects of plasma transferred arc surfaced Ni-based hardfacing alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 456. P. 11—19.Gurumoorthy K., Kamaraj M., Prasad Rao K., Sambasiva Rao A., Venugopal S. Microstructural aspects of plasma transferred arc surfaced Ni-based hardfacing alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 456. P. 11—19.Houdková Š.,Smazalová E., Vostřák M., Schubert J. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies // Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 253. P. 14—26.Houdková Š.,Smazalová E., Vostřák M., Schubert J. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies. Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 253. P. 14—26.Katsich C., Badisch E. Effect of carbide degradation in a Ni-based hardfacing under abrasive and combined impact/abrasive conditions // Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 206. P. 1062—1068.Katsich C., Badisch E. Effect of carbide degradation in a Ni-based hardfacing under abrasive and combined impact/abrasive conditions. Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 206. P. 1062—1068.Shengfeng Zh., Xiaoqin D. Laser induction hybrid rapid cladding of WC particles reinforced NiCrBSi composite coatings // Appl. Surf. Sci. 2010. Vol. 256. P. 4708— 4714.Shengfeng Zh., Xiaoqin D. Laser induction hybrid rapid cladding of WC particles reinforced NiCrBSi composite coatings. Appl. Surf. Sci. 2010. Vol. 256. P. 4708—4714.Tobar M.J., Alvares C., Amado J.V., Rodrigues G., Yanez A. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi—WC coatings on stainless steel // Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6313—6317.Tobar M.J., Alvares C., Amado J.V., Rodrigues G., Yanez A. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi—WC coatings on stainless steel. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6313—6317.Chao M.-J., Wang W.-L., Liang E.-J., Ouyang D. Microstructure and wear resistance of TaC reinforced Ni-based coating by laser cladding // Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 1918—1922.Chao M.-J., Wang W.-L., Liang E.-J., Ouyang D. Microstructure and wear resistance of TaC reinforced Ni-based coating by laser cladding. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 1918—1922.Nurminen J., Nаkki J., Vuoristo P. Microstructure and properties of hard and wear resistant MMC coatings deposited by laser cladding // Int. J. Refract. Metals & Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 472—478.Nurminen J., Nаkki J., Vuoristo P. Microstructure and properties of hard and wear resistant MMC coatings deposited by laser cladding. Int. J. Refract. Metals & Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 472—478.Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана. Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987.Kiparisov S.S., Levinskii Yu.V., Petrov A.P. Karbid titana. Poluchenie, svoistva, primenenie [Titanium carbide. Production, properties, applications]. Moscow: Metallurgiya, 1987.Sun R.L., Lei Y.W., Niu W. Laser clad TiC reinforced NiCrBSi composite coatings on Ti—6Al—4V alloy using a CW CO2 laser // Surf. Coat. Technol. 2009. Vol. 203. P. 1395—1399.Sun R.L., Lei Y.W., Niu W. Laser clad TiC reinforced NiCrBSi composite coatings on Ti—6Al—4V alloy using a CW CO2 laser. Surf. Coat. Technol. 2009. Vol. 203. P. 1395—1399.Lei Y., Sun R., Tang Y., Niu W. Numerical simulation of temperature distribution and TiC growth kinetics for high power laser clad TiC/NiCrBSiC composite coatings // Opt. Laser Technol. 2012. Vol. 44. P. 1141—1147.Lei Y., Sun R., Tang Y., Niu W. Numerical simulation of temperature distribution and TiC growth kinetics for high power laser clad TiC/NiCrBSiC composite coatings. Opt. Laser Technol. 2012. Vol. 44. P. 1141—1147.Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Формирование композиционного покрытия с повышенной абразивной износостойкостью методом газопорошковой лазерной наплавки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. No. 11. C. 38—44.Makarov A.V., Soboleva N.N., Malygina I.Yu., Osintseva A.L. Formirovanie kompozitsionnogo pokrytiya s povyshennoi abrazivnoi iznosostoikost’y metodom gazoporoshkovoi lazernoi naplavki [Formation of a composite coating with increased abrasive wear resistance by the gas-powder laser surfacing method]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2013. No. 11. P. 38—44.Cai B., Tan Y.-F., He L., Tan H., Gao L. Tribological properties of TiC particles reinforced Ni-based alloy composite coatings // Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2013. Vol. 23. No. 6. P. 1681—1688.Cai B., Tan Y.-F., He L., Tan H., Gao L. Tribological properties of TiC particles reinforced Ni-based alloy composite coatings. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2013. Vol. 23. No. 6. P. 1681—1688.Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой. М.: Изд. дом «Библиотека», 2008.Kalita V.I., Komlev D.I. Plazmennye pokrytiya s nanokristallicheskoi i amorfnoi strukturoi [Plasma coatings with a nanocrystalline and amorphous structure]. Moscow: Izdatel’skii Dom «Biblioteka», 2008.Борисов Ю.С., Борисова А.Л., Адеева Л.И., Туник А.Ю., Бурлаченко А.Н., Рупчев В.Л. Получение порошков для газотермических покрытий методами механического легирования и механохимического синтеза // Сварочное пр-во. 2010. No. 12. C. 18—22.Borisov Yu.S., Borisova A.L., Adeeva L.I., Tunik A.Yu., Burlachenko A.N., Rupchev V.L. Poluchenie poroshkov dlya gazotermicheskikh pokrytii metodami mekhanicheskogo legirovaniya i mekhanokhimicheskogo sinteza [Production of powders for gas-thermal coatings by mechanical alloying and mechanochemical synthesis]. Svarochnoe proizvodstvo. 2010. No. 12. P. 18—22.Ситников А.А., Яковлев В.И., Сейдуров М.Н., Татаркин М.Е., Собачкин А.В., Степанова Н.В., Резанов И.Ю. Структура и свойства наплавленных покрытий из порошков механоактивированных СВС-композитов // Обраб. металлов. 2011. No. 3. C. 51—54.Sitnikov A.A., Yakovlev V.I., Seidurov M.N., Tatarkin M.E., Sobachkin A.V., Stepanova N.V., RezanovI.Yu. Struktura i svoistva naplavlennykh pokrytii iz poroshkov mekhanoaktivirovannykh SVS-kompozitov [Structure and properties of deposited coatings from powders of mechanically activated SHS-composites]. Obrabotka metallov. 2011. No. 3. P. 51—54.Vitaz P., Iluschenko A., Belyaev A., Talako T. Investigation of properties of composite SHS powders on the base of chromium and titanium сarbides // Proc. EUROPM 2005 Congress (Prague, Czech Republic, 2—5 Oct. 2005). 2005. Vol. 2. P. 91—94.Vitaz P., Iluschenko A., Belyaev A., Talako T. Investigation of properties of composite SHS powders on the base of chromium and titanium сarbides. Proc. EUROPM 2005 Congress (Prague, Czech Republic, 2—5 Oct. 2005). 2005. Vol. 2. P. 91—94.Чесноков А.Е. Влияние высокоэнергетических воздействий на микроструктуру СВС металлокерамических порошков и газотермических покрытий «карбид титана — нихром»: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Красноярск: СибФУ, 2016.Chesnokov A.E. Vliyanie vysokoenergeticheskikh vozdeistvii na mikrostrukturu SVS metallokeramicheskikh poroshkov i gazotermicheskikh pokrytii «karbid titana — nikhrom» [Influence of high-energy impact on the microstructure of SHS of cermet powders and gas-thermal coatings «titanium carbide-nichrome»]: Abstr. Dis. PhD. Krosnoyarsk: Siberian federal university, 2016.Зуев Л.В., Гусев А.И. Влияние нестехиометрии и упорядочения на период базисной структуры кубического карбида титана // Физика твердого тела. 1999. Т. 41. No. 4. С. 1134—1141.Zuev L.V., Gusev A.I. Vliyanie nestekhiometrii i uporyadocheniya na period bazisnoi struktury kubicheskogo karbida titana [Influence of nonstoichiometry and ordering on the period of the basic structure of cubic titanium carbide]. Fizika tverdogo tela. 1999. Vol. 41. No. 4. P. 1134—1141.Современные инструментальные материалы на основе тугоплавких соединений: Сб. трудов ВНИИТС. М.: Металлургия, 1985.Sovremennye instrumental’nye materialy na osnove tugoplavkikh soedinenii [Modern instrumental materials based on refractory compounds]. Moscow: Metallurgiya, 1985.Акопян А.Г., Долуханян С.К., Боровинская И.П. Взаимодействие титана, бора и углерода в режиме горения // Физика горения и взрыва. 1978. No. 3. C. 70—73.Akopyan A.G., Dolukhanyan S.K., Borovinskaya I.P. Vzaimodeistvie titana, bora i ugleroda v rezhime goreniya [Interaction of titanium, boron and carbon in the combustion condition]. Fizika goreniya i vzryva. 1978. No. 3. P. 70—73.Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. М.: Физматлит, 2012.Rogachev A.S., Mukas’yan A.S. Gorenie dlya sinteza materialov: vvedenie v strukturnuyu makrokinetiku [Combustion for the synthesis of materials: an introduction to structural macrokinetics]. Moscow: Fizmatlit, 2012.Прибытков Г.А., Криницын М.Г., Коржова В.В. Исследование продуктов СВ-синтеза в порошковых смесях титана и углерода, содержащих избыток титана // Перспект. материалы. 2016. No. 5. C. 59—68.Pribytkov G.A., Krinitsyn M.G., Korzhova V.V. Issledovanie produktov SV-sinteza v poroshkovykh smesyakh titana i ugleroda, soderzhashchikh izbytok titana [Investigation of products of SH-synthesis in powder mixtures of titanium and carbon containing with a titanium excess]. Perspektivnye materialy. 2016. No. 5. P. 59—68.Прибытков Г.А., Коржова В.В., Барановский А.В., Криницын М.Г. Фазовый состав и структура композиционных порошков карбида титана со связкой из стали Р6М5, полученных методом СВС // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2017. No. 2. C. 64—71.Pribytkov G.A., Korzhova V.V., Baranovskii A.V., Krinitsyn M.G. Fazovyj sostav i struktura kompozitsionnykh poroshkov karbida titana so svyazkoj iz stali R6M5, poluchennykh metodom SVS [Phase composition and structure of SHS-composite powders «titanium carbide — R6M5 steel binder»]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2017. No. 2. P. 64—71.Zhang W.N., Wang H.Y., Wang P.J., Zhang J., He L., Jiang Q.C. Effect of Cr content on the SHS reaction of Cr— Ti—C system // J. Alloys and Compnd. 2008. Vol. 465. P. 127—131.Zhang W.N., Wang H.Y., Wang P.J., Zhang J., He L., Jiang Q.C. Effect of Cr content on the SHS reaction of Cr—Ti—C system. J. Alloys and Compnd. 2008. Vol. 465. P. 127—131.Zhang W.N., Wang H.Y., Yin S.Q., Jiang Q.C. Effect of Ti/C ratio on the SHS reaction of Cr—Ti—C system // Mater. Lett. 2007. Vol. 61. P. 3075—3078.Zhang W.N., Wang H.Y., Yin S.Q., Jiang Q.C. Effect of Ti/C ratio on the SHS reaction of Cr—Ti—C system. Mater. Lett. 2007. Vol. 61. P. 3075—3078.Мержанов А.Г., Боровинская И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких соединений // Докл. АН СССР. 1972. Т. 204. No. 2. С. 366—369.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Samorasprostranyayushchiisya vysokotemperaturnyi sintez tugoplavkikh soedinenii [Self-propagating high temperature synthesis of refractory compounds]. Doklady AN SSSR. 1972. Vol. 204. No. 2. P. 366—369.

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