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-2019-2-4-14powder-441Research ArticleПроцессы получения и свойства порошковProduction Processes and Properties of PowdersСтруктурное состояние порошковой смеси Ti–Al при различных режимах механоактивационной обработкиStructural state of the Ti–Al powder mixture at various stages of mechanoactivation treatmentЛогиноваМ. В.LoginovaM. V.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник проблемной научно-исследовательской лаборатории самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (ПНИЛ СВС) им. В.В. Евстигнеева

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Cand. Sci. (Tech.), Senior researcher, Evstigneev problem research laboratory of self-propagating high-temperature synthesis (PRL SHS)

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

anicpt@rambler.ruСобачкинА. В.SobachkinA. V.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПНИЛ СВС им. В.В. Евстигнеева

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Cand. Sci. (Tech.), Senior researcher, PRL SHS

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

sobachkin.a.v@mail.altstu.ruИвановС. Г.IvanovS. G.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПНИЛ СВС им. В.В. Евстигнеева

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Cand. Sci. (Tech.), Senior researcher, PRL SHS

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

serg225582@yandex.ruЯковлевВ. И.YakovlevV. I.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПНИЛ СВС им. В.В. Евстигнеева

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Cand. Sci. (Tech.), Senior researcher, PRL SHS

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

yak1961@yandex.ruСитниковА. А.SitnikovA. A.

Доктор технических наук, директор инновационно-технологического центра

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Dr. Sci. (Tech.), Director of Innovation and technology center

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

sitalan@mail.ruФилимоновВ. Ю.FilimonovV. Yu.

Доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Department of physics

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

vyfilimonov@rambler.ruМясниковА. Ю.MyasnikovA. Yu.

Аспирант ПНИЛ СВС им. В.В. Евстигнеева

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Graduate student, PRL SHS

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

myasnickov.andre@yandex.ruНегодяевА. З.NegodyaevA. Z.

Заведующий лабораторией кафедры машиностроительных технологий и оборудования

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Head of Laboratory, Department of machine-building technologies and equipment

656038, Russia, Barnaul, Lenina ave., 46

allneg@mail.ruАлтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова (АлтГТУ)РоссияPolzunov Altai State Technical University (AltSTU)Russian Federation20191806201902414Copyright © НИТУ "МИСИС", 20192019НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/441

Применение механокомпозитов в качестве прекурсоров при проведении высокотемпературного синтеза увеличивает возможности протекания химических реакций в твердофазном режиме: расширяет концентрационные пределы горения, меняет температуру и скорость горения, температуру воспламенения и др. Вопросы, связанные с возможностью изменения структуры механокомпозитов как на макро-, так и на микроуровне могут иметь важное значение для последующего получения продукта синтеза требуемых состава, структуры и свойств. В данной работе проводился подбор оптимальных режимов предварительной механической активации (МА) для получения прекурсоров для реализации высокотемпературного синтеза. Основными управляющими параметрами активационного воздействия на порошковую смесь Ti + Al являлись продолжительность обработки и интенсивность силовой нагрузки. Одним из определяющих факторов для выбора оптимального режима МА является формирование максимально возможных микродеформаций без появления продуктов механического синтеза при заданных условиях размола. Из проведенного анализа структурных параметров следует, что для достижения этих условий при энергонапряженности мельницы 20 g требуется более 13 мин механоактивационного воздействия, однако это невозможно реализовать по причине налипания порошковой смеси на мелющие тела. При энергонапряженности 60 g обработка в течение 7 мин приводит к началу механохимического синтеза, что ограничивает интервал времени МА. Таким образом, для последующей реализации высокотемпературного синтеза следует выбрать режимы процесса, соответствующие продолжительности процесса МА 7 мин при величине энергонапряженности шаровой мельницы 40 g. Исследование морфологии механокомпозитов, полученных в указанных условиях, показали, что пластичная алюминиевая матрица создает условия для идеального контакта реагентов, и сформировавшийся материал можно рассматривать как элементарный реактор, в объеме которого создаются максимально благоприятные условия для твердофазной диффузии.

 

Mechanocomposites used as precursors in high-temperature synthesis increase the possibility of chemical reactions executed in a solid-phase mode: they expand the concentration limits of combustion, change burning temperature and rate, ignition temperature, etc. Issues related to the possibility of changing the mechanocomposite structure at both macro and micro levels canbe important for subsequent obtaining of a synthesis product with a required composition, structure and properties. This paper provides selection of optimal modes for preliminary mechanical activation to obtain precursors for high-temperature synthesis. The main controlling parameters of the activation action on the Ti + Al powder mixture were mechanical activation time and power load intensity. One of the determining factors for choosing the optimal mode of mechanical activation is the formation of maximum possible microstrains without the appearance of mechanical synthesis products at the given grinding parameters. It follows from the analysis of structural parameters that these conditions can be achieved at the mill energy intensity of 20 g within over 13 min of mechanical activation impact, but it is not possible to implement due to powder mixture sticking to grinding media. 7-minute treatment at the intensity of 60 g leads to the beginning of mechanochemical synthesis, which limits the mechanical activation time interval. Thus, it is necessary to select activation modes corresponding to the mechanical activation time of 7 minutes at the ball mill energy intensity of 40 g to ensure subsequent implementation of high-temperature synthesis. The studied morphology of mechanocomposites obtained in this mode demonstrated that a plastic aluminum matrix creates conditions for an ideal contact of reagents, and the material formed can be regarded as an elementary reactor in the volume of which the most favorable conditions for solid-phase diffusion are created.

порошковая смесьалюминийтитанмеханоактивационная обработкаструктурные параметрымикронапряжениямикроструктурамеханокомпозитыpowder mixturealuminumtitaniummechanical activation treatmentstructural parametersmicrostrainsmicrostructuremechanocompositesReferencesGras Ch., Gaffet E., Bernard F., Niepce J.C. Enhancement of self-sustaining re-action by mechanical activation: case of an Fe—Si system. Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 264. P. 94—107.Gras Ch., Gaffet E., Bernard F., Niepce J.C. Enhancement of self-sustaining re-action by mechanical activation: case of an Fe—Si system. Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 264. P. 94—107.Уваров Н.Ф., Болдырев В.В. Размерные эффекты в химии гетерогенных систем. Успехи химии. 2001. Т. 70. No. 4. С. 307—329.Uvarov N.F., Boldyrev V.V. Size effects in chemistry of heterogeneous systems. Russ. Chem. Rev. 2001. Vol. 70. No 4. P. 265—284.Курбаткина В.В., Пацерa Е.И., Рахимовa А., Логачева А.И., Левашов Е.А. Получение субмикронных порошков и наноструктурированных гранул на основе NiAl методом СВС из механически активированной смеси. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2015. No. 4. С. 69—74.Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Rakhimova A., Logacheva A.I., Levashov E.A. Fabrication of submicron powders and nanostructured NiAl-based granules by the SHS method from a mechanically activated mixture. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2015. No. 4. P. 69—74 (In Russ.).Aleksandrov V.V., Korchagin M.A. Mechanochemical synthesis in SHS systems. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1992. Vol. l. No. 3. P. 417—420.Aleksandrov V.V., Korchagin M.A. Mechanochemical synthesis in SHS systems. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1992. Vol. l. No. 3. P. 417—420.Левашов E.A., Курбаткина B.B., Колесниченко K.B. Закономерности влияния предварительного механического активирования на реакционную способность СВС-смесей на основе титана. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2000. No. 6. С. 61—67.Levashov E.A., Kurbatkina B.B., Kolesnichenko K.B. Regularities of the effect of preliminary mechanical activation on the reactivity of SHS mixtures on the basis of titanium. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2000. No. 6. P. 61—67 (In Russ.).Radev D.D., Klissurski D. Mechanochemical synthesis and SHS of diborides of titanium and zirconium. J. Mater. Synth. Proces. 2001. Vol. 9. No. 3. P. 131—136.Radev D.D., Klissurski D. Mechanochemical synthesis and SHS of diborides of titanium and zirconium. J. Mater. Synth. Proces. 2001. Vol. 9. No. 3. P. 131—136.Mukasyan A.S., White J.D.E., Kovalev D., Kochetov N., Ponomarev V., Son S.F. Dynamics of phase transformation during thermal explosion in the Al—Ni system: Influence of mechanical activation. Physica B. 2010. Vol. 405. P. 778—784.Mukasyan A.S., White J.D.E., Kovalev D., Kochetov N., Ponomarev V., Son S.F. Dynamics of phase transformation during thermal explosion in the Al—Ni system: Influence of mechanical activation. Physica B. 2010. Vol. 405. P. 778—784.Логинова М.В., Собачкин А.В., Ситников А.А., Яковлев В.И., Филимонов В.Ю., Иванов С.Г., Мясников А.Ю., Негодяев А.З., Градобоев А.В. Структурное состояние активированной порошковой смеси Ti + Al при изменении времени механоактивации и доз гамма-облучения. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. No. 1. С. 68—73.Loginova M.V., Sobachkin A.V., Sitnikov A.A., Yakovlev V.I., Filimonov V.Yu., Ivanov S.G., Myasnikov A.Yu., Negodyaev A.Z., Gradoboev A.V. Structural state of activated powder mixture Ti + Al with changing time of mechanical activation and doses of gamma-irradiation. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2018. Vol. 15. No. 1. P. 68—73 (In Russ.).Вьюшков Б.В., Левашов Е.А., Ермилов А.Г., Питюлин А.Н., Боровинская И.П., Егорычев К.Н. Об особенностях влияния предварительной механической активации шихты на параметры СВС-процесса, структуру и свойства многокомпонентного кермета марки СТИМ-5. Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. No. 5. С. 63—67.V’yushkov B.V., Levashov E.A., Ermilov A.G., Pityulin A.N., Borovinskaya I.P., Egorychev K.N. Characteristics of the effect of preliminary mechanical activation of a batch on parameters of the self-propagating high-temperature synthesis process, structure, and properties of multicomponent cermet SHTM-5. Combust. Explos. Shock Waves. 1994. Vol. 30. No. 5. P. 630—634.Итин В.И., Монасевич Т.В., Братчиков А.Д. Влияние механоактивации на закономерности самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системе титан-никель. Физика горения и взрыва. 1997. Т. 30. No. 5. С. 48—51.Itin V.I., Monasevich T.V., Bratchikov A.D. Effect of mechanical activation on the regularities of self-propagating high-temperature synthesis in the titanium-nickel system. Combust. Explos. Shock Waves. 1997. Vol. 33. No. 5. P. 553—555.Григорьева Т.Ф., Корчагин М.А., Баринова А.П., Ляхов Н.З. Влияние механохимической активации на концентрационные границы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Докл. АН. 1999. Т. 369. No. 3. С. 345—347.Grigor’eva T.F., Korchagin M.A., Barinova A.P., Lyakhov N.Z. Impact of mechanochemical activation on concentration limits of self-propagating high-temperature synthesis. Doklady AN. 1999. Vol. 369. No. 3. P. 345—347 (In Russ.).Shteinberg A.S., Lin Y.C., Son S.F., Mukasyan A.S. Kinetics of high temperature reaction in Ni—Al system: Influence of mechanical activation. J. Phys. Chem. A. 2010. Vol. 114. P. 6111—6116.Shteinberg A.S., Lin Y.C., Son S.F., Mukasyan A.S. Kinetics of high temperature reaction in Ni—Al system: Influence of mechanical activation. J. Phys. Chem. A. 2010. Vol. 114. P. 6111—6116.Bokhonov B.B., Korchagin M.A. Application of mechanical alloying and self-propagating synthesis for preparation of stable decagonal quasicrystals. J. Alloys Compd. 2004. Vol. 368. P. 152—156.Bokhonov B.B., Korchagin M.A. Application of mechanical alloying and self-propagating synthesis for preparation of stable decagonal quasicrystals. J. Alloys Compd. 2004. Vol. 368. P. 152—156.Филимонов В.Ю., Корчагин М.А., Смирнов Е.В., Ляхов Н.З. Макрокинетика твердофазного синтеза активированной смеси 3Ni+Al в режиме теплового взрыва. Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. No. 4. С. 90—98.Filimonov V.Yu., Korchagin M.A., Smirnov E.V., Lyakhov N.Z. Macrokinetics of solid-phase synthesis of an activated 3Ni + Al mixture in the thermal explosion mode. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2010. Vol. 46. No. 4. P. 449—456.Terehova O.G., Shkoda O.A., Maksimov Yu.M., Chalun L.D. Loginova M.V., Sobachkin A.V., Ivanov S.G., Yakovlev V.I., Sitnikov A.A., Filimonov V.Yu., Myasnikov A.Yu., Negodyaev A.Z. Effect of mechanical activation of silicon and niobium on SHS synthesis of niobium silicides. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1999. Vol. 8. No. 3. P. 299—306.Terehova O.G., Shkoda O.A., Maksimov Yu.M., Chalun L.D. Loginova M.V., Sobachkin A.V., Ivanov S.G., Yakovlev V.I., Sitnikov A.A., Filimonov V.Yu., Myasnikov A.Yu., Negodyaev A.Z. Effect of mechanical activation of silicon and niobium on SHS synthesis of niobium silicides. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1999. Vol. 8. No. 3. P. 299—306.Loginova M.V., Filimonov V.Yu., Yakovlev V.I., Sytnikov A.A., Negodyaev A.Z., Shreifer D.V. Analysis of the influence of high temperature synthesis parameters on the structure formation in the mechanically activated 3Ti + Al powder mixture. Appl. Mech. Mater. 2015. Vol. 788. P. 117—122.Loginova M.V., Filimonov V.Yu., Yakovlev V.I., Sytnikov A.A., Negodyaev A.Z., Shreifer D.V. Analysis of the influence of high temperature synthesis parameters on the structure formation in the mechanically activated 3Ti + Al powder mixture. Appl. Mech. Mater. 2015. Vol. 788. P. 117—122.Ляхов Н. З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазои структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. Новосибирск: Параллель, 2008.Lyakhov N. Z., Talako T.L., Grigor’eva T.F. The influence of mechanoactivation on the processes of phase and structure formation in self-propagating high-temperature synthesis. Novosibirsk: Parallel’, 2008 (In Russ.).Turrillas C.C.X., Vaughan G.B.M., Terry A.E., Kvick A., Rodriguez M.A. Al—Ni intermetallics obtained by SHS: A time-resolved X-ray diffraction study. Intermetallics. 2007. Vol. 15. P. 1163—1171.Turrillas C.C.X., Vaughan G.B.M., Terry A.E., Kvick A., Rodriguez M.A. Al—Ni intermetallics obtained by SHS: A time-resolved X-ray diffraction study. Intermetallics. 2007. Vol. 15. P. 1163—1171.Ломовский О.И. (ред.). Механокомпозиты-прекурсоры для создания материалов с новыми свойствами. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010.Lomovskii O.I. (Ed.). Mechanocomposites-precursors for creating materials with new properties. Novosibirsk: SO RAN, 2010 (In Russ.).Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы: Состав, структура, свойства. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009.Il’in A.A., Kolachev B.A., Pol’kin I.S. Titanium alloys. Composition, structure, properties. Mosсow: VILS-MATI, 2009 (In Russ.).Иванов В.И., Ясинский К.К. Эффективность применения жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов Тi3А1 и TiAl для работы при температурах 600—800 °С в авиакосмической технике. Технол. легких сплавов. 1996. No. 3. С. 7—12.Ivanov V.I., Yasinskii K.K. Efficiency of application of high-temperature alloys based on Ti3Al and TiAl intermetallides for operation at temperatures of 600—800 °C in aerospace engineering. Tekhnologiya legkikh splavov. 1996. No 3. P. 7—12 (In Russ.).Chuprina V.G., Shalya I.M. Properties of some alloys of Ti—Al system. In: Abstracts Book of X Int. Conf. «ICHMS’07» (Crimea, Ukraine). 2007. P. 38—39.Chuprina V.G., Shalya I.M. Properties of some alloys of Ti—Al system. In: Abstracts Book of X Int. Conf. «ICHMS’07» (Crimea, Ukraine). 2007. P. 38—39.Анташев В.Г., Ночовная Н.А., Павлова Т.В., Подюкова Н.М., Иванов В.И. Жаропрочные титановые сплавы. Авиационные материалы. Избр. тр. «ВИАМ» 1932—2002: Юбил. науч.-техн. сб. 2002. С. 111—115.Antashev V.G., Nochovnaya N.A., Pavlova T.V., Podyukova N.M., Ivanov V.I. Heat-resistant titanium alloys. In: Aviatsionnye materially: Izbrannye trudy «VIAM» 1932— 2002: Yubileinyi nauchno-tekhnicheskii sbornik. 2002. P. 111—115 (In Russ.).Filimonov V.Yu., Sitnikov A.A., Afanas’ev A.V., Loginova M.V., Yakovlev V.I., Negodyaev A.Z., Schreifer D.V., Solov’ev V.A. Microwave assisted combustion synthesis in mechanically activated 3Ti + Al powder mixtures: structure formation issues. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2014. Vol. 23. No. 1. P. 18—25.Filimonov V.Yu., Sitnikov A.A., Afanas’ev A.V., Loginova M.V., Yakovlev V.I., Negodyaev A.Z., Schreifer D.V., Solov’ev V.A. Microwave assisted combustion synthesis in mechanically activated 3Ti + Al powder mixtures: structure formation issues. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2014. Vol. 23. No. 1. P. 18—25.Filimonov V.Yu., Sytnikov A.A., Yakovlev V.I., Loginova M.V., Afanasyev A.V., Negodyaev A.Z. The features of structure formation in mechanically activated powder mixture 3Ti + Al in the thermal explosion mode. Appl. Mech. Mater. 2014. Vol. 621. P. 71—76.Filimonov V.Yu., Sytnikov A.A., Yakovlev V.I., Loginova M.V., Afanasyev A.V., Negodyaev A.Z. The features of structure formation in mechanically activated powder mixture 3Ti + Al in the thermal explosion mode. Appl. Mech. Mater. 2014. Vol. 621. P. 71—76.Дымченко Н.П., Шишлянникова Л.M., Ярославцева H.H. Применение ЭВМ при расчете тонкой кристаллической структуры поликристаллов методом вторых и четвертых моментов. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. 1974. Вып. 15. С. 37—45.Dymchenko N.P., Shishlyannikova L.M., Yaroslavtseva N.N. The use of computers in calculating the fine crystal structure of polycrystals by the method of second and fourth moments. Apparatura i metody rentgenovskogo analiza. 1974. No. 15. P. 37—45 (In Russ.).Хейкер Д.М., Зевин Л.С. Рентгеновская дифрактометрия. М.: Физматгиз, 1963.Kheiker D.M., Zevin L.S. X-ray Diffractometry. Moscow: Fizmatgiz, 1963 (In Russ.).Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial application of thixomet image analyzer for quanti-tative description of steel and alloy’s microstructure. Metallography, Microstructure, and Analysis. 2016. No. 5. P. 294—301.Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial application of thixomet image analyzer for quanti-tative description of steel and alloy’s microstructure. Metallography, Microstructure, and Analysis. 2016. No. 5. P. 294—301.Kazakov A.A., Ryaboshuk S., Lyubochko D., Chigintsev L. Research on the origin of nonmetallic inclusions in highstrength low-alloy steel using automated feature analysis. Microscopy and Microanalysis. 2015. Vol. 21. No. 3. P. 1755—1756.Kazakov A.A., Ryaboshuk S., Lyubochko D., Chigintsev L. Research on the origin of nonmetallic inclusions in highstrength low-alloy steel using automated feature analysis. Microscopy and Microanalysis. 2015. Vol. 21. No. 3. P. 1755—1756.

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