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-2020-2-4-13powder-535Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsХимический состав и структура межфазных границ в порошковых твердых сплавах Cr3C2-Ti после взрывного компактирования и последующего нагреваChemical composition and structure of interfacial boundaries in Cr3C2-Ti powder hard alloys after explosive pressing and subsequent heatingКрохалевА. В.KrokhalevA. V.

Доктор технических наук, декан факультета технологии конструкционных материалов ВолгГТУ.

400005, Волгоград, пр. Ленина, 28.

Dr. Sci. (Tech.), Dean of the Faculty of technology of structural materials, Volgograd State Technical University (VSTU).

400005, Volgograd, Lenina pr., 28.

kroch@vstu.ruХарламовВ. О.KharlamovV. O.

Кандидат технических наук, ведущий инженер Центра коллективного пользования «Физико-химические методы исследования» ВолгГТУ.

400005, Волгоград, пр. Ленина, 28.

Cand. Sci. (Tech.), Engineer of the Center for collective use «Physico-chemical methods research», VSTU.

400005, Volgograd, Lenina pr., 28.

harlamov_vo@mail.ruКузьминС. В.KuzminS. V.

Доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и технологии сварочного производства, проректор ВолгГТУ.

400005, Волгоград, пр. Ленина, 28.

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Department «Equipment and technology of welding production», Vice-rector of the VSTU.

400005, Volgograd, Lenina pr., 28.

weld@vstu.ruЛысакВ. И.LysakV. I.

Доктор технических наук, академик РАН, профессор, заведующий кафедрой оборудования и технологии сварочного производства, научный руководитель ВолгГТУ.

400005, Волгоград, пр. Ленина, 28.

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Acad of RAS, Head of the Department «Equipment and technology of welding production», Scientific adviser of the VSTU.

400005, Volgograd, Lenina pr., 28.

lysak@vstu.ruВолгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)РоссияVolgograd State Technical UniversityRussian Federation20201506202002413Copyright © НИТУ "МИСИС", 20202020НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/535

Представлены результаты исследований тонкой структуры, химического и фазового составов границ между компонентами твердого сплава Cr3C2-Ti, содержащего 40 мас.% титановой связки, в состоянии после взрывного прессования, а также после термической обработки. Температура разогрева порошковой смеси в процессе ударно-волнового нагружения составляла 730 °С, давление - 14 ГПа, что обеспечило максимальное уплотнение и консолидацию порошковой смеси без спекания. Термическая обработка компактных образцов проходила при нагреве от 400 до 700 °С и выдержке в печи в течение 1 ч с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Равновесный фазовый состав рассчитан путем численного термодинамического моделирования с использованием программного комплекса Thermo-Calc. Исследование структуры и элементного состава проводилось на электронных микроскопах FEI Quanta 3D и Versa 3D с интегрированной системой фокусированного ионного пучка для изготовления фольги, а также просвечивающих электронных микроскопах FEI Tecnai G2 20F и Titan 80-300 с режимом трансмиссионного сканирования фольг. Для проведения рентгеноструктурного фазового анализа использован дифрактометр Bruker D8 Advance. Показано, что формирование прочных межфазных границ при взрывном прессовании смесей порошков титана и карбида хрома сопровождается химическим взаимодействием компонентов с образованием приграничных слоев, имеющих общую толщину порядка 90 нм. В пределах переходного слоя наблюдается непрерывное монотонное изменение содержаний Cr и Ti при практически неизменной концентрации углерода. Фазовый состав слоев соответствует равновесному, рассчитанному при давлении ударно-волнового сжатия 12 ГПа, но является термодинамически неравновесным в нормальных условиях. Нагрев до 400 °С приводит к растворению приграничных слоев и переходу твердых сплавов Cr3C2-Ti в двухфазное состояние. При температуре 700 °С вдоль межфазных границ образуются чередующиеся слои из обедненных углеродом карбидов хрома (Cr7C3, Cr23C6) и титана (TiC), которые формируются за счет диффузии углерода из исходного карбида хрома (Cr3C2) к титану.

The paper presents the results of studies of the fine structure, chemical and phase composition of boundaries between the components of the Cr3C2-Ti hard alloy containing 40 wt.% of titanium bond in the state after explosive pressing, as well as after heat treatment. The powder mixture was subjected to shock-wave loading at a heating temperature of 730 °C and pressure of 14 GPa to ensure the maximum compaction and consolidation of the powder mixture without sintering. Compact specimens were heat-treated by heating from 400 to 700 °С and holding in the oven for 1 hour followed by still air cooling. The equilibrium phase composition was calculated by numerical thermodynamic modeling using Thermo-Calc software. The structure and elemental composition were studied using FEI Quanta 3D and Versa 3D electron microscopes with an integrated focused ion beam system for foil fabrication, as well as FEI Tecnai G2 20F and Titan 80-300 transmission electron microscopes with foil transmission scanning mode. The Bruker D8 Advance diffractometer was used for X-ray phase analysis. It was shown that the formation of strong interfacial boundaries under explosive pressing of titanium and chromium carbide powder mixtures is accompanied by chemical interaction between the components with the formation of boundary layers having a total thickness of about 90 nm. There is a continuous monotonic change in the Cr and Ti content within the transition layer at the almost constant carbon content. The phase composition of layers corresponds to the equilibrium one calculated at the shock-wave compression pressure but it is thermodynamically nonequilibrium under normal conditions. When heated to 400 °C, boundary layers dissolve with the transition of Cr3C2-Ti hard alloys into a two-phase state. When heated to 700 °C, alternating layers of carbon-depleted chromium carbides (Cr7C3, Cr23C6) and titanium carbide (TiC) form along the interfacial boundaries by carbon diffusion from the original chromium carbide (Cr3C2) to titanium.

карбид хроматитанвзрывное прессованиетонкая структурамежфазные границыchromium carbidetitaniumexplosive pressingfine structureinterfacial boundariesReferencesNesterenko V.F. Dynamics of heterogeneous materials. New York: Springer Science, 2001.Nesterenko V.F. Dynam1cs of heterogeneous materials. New York: Springer Sc1ence, 2001.Рогозин В.Д. Взрывная обработка порошковых материалов. Волгоград: Политехник, 2002.Rogozin V.D. Explosive treatment of powder materials. Volgograd: Politekhnik, 2002 (In Russ.).Prummer R. Explosive compaction of powders and composites. Boca Raton: CRC Press, 2006.Prummer R. Explosive compaction of powders and composites. Boca Raton: CRC Press, 2006.Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И., Пай В.В. Уплотнение смесей порошков карбида хрома и металлической связки при взрывном прессовании. Физика горения и взрыва. 2019. Т. 55. No. 4. С. 129—137.Krokhalev A.V., Kharlamov V.O., Kuz'min S.V., Lysak V.I, Pai V.V. Explosive compaction of chromium carbide powders with a metallic binder. Combustion, Explosion and Shock Waves. 2019. Vol. 55. No. 4. P. 491—499.Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Агеева Е.В. Исследование свойств электроэрозионных порошков и твердого сплава, полученного из них изостатическим прессованием и спеканием. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 6. С. 51—55.Ageev E.V., Latypov R.A., Ageeva E.V. Investigation into the propert1es of electroerosion powders and hard alloy fabricated from them by isostatic pressing and sintering. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya (Universities' Proceedings Non-Ferrous Metallurgy). 2014. No. 6. P. 51—55 (In Russ.).Панов В.С., Зайцев А.А. Тенденции развития технологии ультрадисперсных и наноразмерных твердых сплавов WC—Co. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. No. 3. С. 38—48.Panov V.S., Zaitsev A.A. Development trends of technology of ultrafine and nanosized hard alloys WC—Co. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya (Universities’ Proceedings. Powder Metallurgy and Functional Coatings). 2014. No. 3. С. 38—48 (In Russ.).Kear B.H., Skandan G., Sadangi R.K. Factors controlling decarburization 1n HVOF sprayed nano-WC/Co hard coatings. Scripta Mater. 2001. Vol. 44. No. 8-9. P. 1703—1707.Kear B.H., Skandan G., Sadangi R.K. Factors controlling decarburization in HVOF sprayed nano-WC/Co hard coatings. Scripta Mater. 2001. Vol. 44. No. 8-9. P. 1703—1707.Калита В.И., Радюк А.А., Комлев Д.И., Иванников А.Ю., Благовещенский Ю.В., Григорович К.В., Шибаева Т.В., Умнова Н.В., Молоканов В.В., Умнов П.П., Мельник Ю.И. Плазменные покрытия WC—Co из механически легированного порошка. Физика и химия обработки материалов. 2014. No. 5. С. 22—29.Kalita V.I., Radyuk A.A., Komlev D.I., Ivannikov A.Yu., Blagoveshchenskii Yu.V., Grigorovich K.V., Shibaeva T.V., Umnova N.V., Molokanov V.V., Umnov P.P., Mel’nik Yu.I. Mechanically alloy powder plasma WC—Co coatings. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2014. No. 5. P. 22—29 (In Russ.).Mrdak M.R. Mechan1cal propert1es and microstructure of vacuum plasma sprayed СгзС2—25 (Ni20Cr) coatings. Vojnotehnickiglasnik. 2015. Vol. 63. No. 2. P. 47—63.Mrdak M.R. Mechan1cal propert1es and microstructure of vacuum plasma sprayed СгзС2—25 (Ni20Cr) coatings. Vojnotehnickiglasnik. 2015. Vol. 63. No. 2. P. 47—63.Pirso J., Viljus M. Structure formation of CrзC2-based cermets during s1nter1ng. Proceedings of Powder Metallurgy World Congress. 2000. P. 1265—1268.Pirso J., Viljus M. Structure formation of CrзC2-based cermets during sintering. Proceedings of Powder Metallurgy World Congress. 2000. P. 1265—1268.Duran C., Eroglu S. Liquid-phase sintering and properties of СгзС2/NiCr cermets. J. Mater. Proces. Technol. 1998. Vol. 74. No. 1-3. P. 69—73.Duran C., Eroglu S. Liquid-phase sintering and properties of Cr3С2/NiCr cermets. J. Mater. Proces. Technol. 1998. Vol. 74. No. 1-3. P. 69—73.Альтшулер Л. В., Трунин Р.Ф., Урлин В.Д., Фортов В.Е., Фунтиков А.И. Развитие в России динамических методов исследований высоких давлений. Успехи физических наук. 1999. Т. 169. No. 3. С. 323—344.Al’tshuler L.V., Trunin R.F., Urlin V.D., Fortov V.E., Funtikov A.I. Development of dynamic h1gh pressure research methods 1n Russ1a. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1999. Vol. 169. No. 3. P. 323—344 (In Russ.).Lee S.H., Hokamoto K. WC/Co coating on a mild steel substrate through underwater shock compaction us1ng a self combustible material layer (WC/Co coating through underwater shock compaction). Mater. Trans. 2007. Vol. 48. No. 1. P. 80—83.Lee S.H., Hokamoto K. WC/Co coating on a mild steel substrate through underwater shock compact1on us1ng a self combustible material layer (WC/Co coating through underwater shock compaction). Mater. Trans. 2007. Vol. 48. No. 1. P. 80—83.Яковлев И.В., Оголихин В.М., Шемелин С.Д. Взрывное изготовление металлокерамических защитных контейнеров. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2012. T. 14. C. 55—60.Yakovlev I.V., Ogolikhin V.M., Shemelin S.D. Explosive manufacturing of ceramic-metal protective containers. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. 2012. Vol. 14. P. 55—60 (In Russ.).Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Y.L. Explosive compaction of WC + Co mixture by axisymmetric scheme. Journal of Physics: Conf. Ser. 2015. Vol. 653. No. 1. P. 012036.Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Y.L. Explosive compaction of WC + Co mixture by axisymmetric scheme. Journal of Physics: Conf. Ser. 2015. Vol. 653. No. 1. P. 012036.Крохалев А.В., Харламов В.О., Тупицин М.А., Кузьмин С.В., Лысак В.И. О возможности получения твердых сплавов из смесей порошков карбидов с металлами взрывным прессованием без спекания. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 2. С. 22—30.Krokhalev A.V., Kharlamov V.O., Tupitsin M.A., Kuz'min S.V., Lysak V.I. Revisiting the possibility of formation of hard alloys from powder mixtures of carbides with metals by explosive compacting without sintering. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2018. Vol. 59. No. 5. P. 550—556.Бондарь М.П., Нестеренко В.Ф. Деформации на контактах и критерии образования соединения при импульсных воздействиях. Физика горения и взрыва. 1991. Т. 27. No. 3. C. 103—117.Bondar' M.P., Nesterenko V.F. Contact deformation and bonding criteria under impulsive loading. Combustion, Explosion and Shock Waves. 1991. Vol. 27. Iss. 3. P. 364—376.Бондарь М.П. Компактирование взрывом: тип микроструктуры контактных границ, созданный при образовании прочной связи. Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. No. 4. С. 131—140.Bondar' M.P. Explosive compaction: the type of microstructure of contact boundaries produced by formation of a strong bond. Combustion, Explosion and Shock Waves. 2004. Vol. 40. Iss. 4. P. 489—497.Бондарь М.П., Ободовский Е.С., Псахье С.Г. Изучение особенностей микроструктуры зоны контактного взаимодействия частиц порошков при динамическом прессовании. Физическая мезомеханика. 2004. T. 7. No. 3. С. 17—23.Bondar' M.P., Obodovskii E.S., Psakh'e S.G. A study into the microstructure features of the zone of contact interaction between powder particles at dynamic pressing. Fizicheskaya mezomekhanika. 2004. Vol. 7. No. 3. P. 17—23 (In Russ.).Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Основы технологии получения износостойких покрытий из смесей порошков карбида хрома с металлической связкой взрывным прессованием. Известия вузов. Цветная металлургия. 2018. No. 3. С. 68—83.Krokhalev A.V, Kharlamov V.O., Kuz'min S.V., Lysak V.I. Foundations of the fabrication technology of wearresistant coatings made of mixtures of chromium carbide powders with a metallic binder by explosive pressing. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2018. Vol. 59. Iss. 4. P. 419—432.Ткаченко. Ю.Г. Трение и износ бескислородных тугоплавких соединений и материалов на их основе при высоких температурах. Трение и износ. 1981. Т. 2. No. 5. C. 864—876.Tkachenko Yu.G. Friction and wear of oxygen-free refractory compounds and materials based on them at high temperatures. Trenie i iznos. 1981. Vol. 2. No. 5. P. 864— 876 (In Russ.).Лысак В.И., Кузьмин С.В., Крохалев А.В., Гринберг Б.А. Строение границ в композиционных материалах, полученных с использованием взрывного нагружения. Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. No. 11. C. 1026—1031.Lysak V.I., Kuz'min S.V., Krokhalev A.V., Grinberg B.A. Structure of boundaries in composite materials obtained using explosive loading. Physics of Metals and Metallography. 2013. Vol. 114. No. 11. P. 947—952.Wang D.Y., Weng K.W., Chang C.L., Ho W.Y. Synthesis of Cr3C2 coatings for tribological applications. Surf. Coat. Technol. 1999. Vol. 120. P. 622—628.Wang D.Y., Weng K.W., Chang C.L., Ho W.Y. Synthesis of Cr3C2 coatings for tribological applications. Surf. Coat. Technol. 1999. Vol. 120. P. 622—628.Li J.F., Huang J.Q., Zhang Y.F., Ding C.X. Tribological properties of plasma-sprayed coatings under water-lubricated sliding. J. Inorg. Mater. 1998. Vol. 13. No. 4. P. 519—520.Li J.F., Huang J.Q., Zhang Y.F., Ding C.X. Tribological properties of plasma-sprayed coatings under water-lubricated sliding. J. Inorg. Mater. 1998. Vol. 13. No. 4. P. 519—520.Лысак В.И., Крохалев А.В., Кузьмин С.В., Рогозин В.Д., Каунов А.М. Прессование порошков взрывом. Москва: Машиностроение, 2015.Lysak V.I., Krokhalev A.V., Kuz'min S.V., Rogozin V.D., Kaunov A.M. Explosive pressing of powders. Moscow: Mashinostroenie, 2015 (In Russ.).Konyashin I., Sologubenko A., Weirich T., Ries B. Complexion at WC—Co grain boundaries of cemented carbides. Mater. Lett. 2017. Vol. 187. P. 7—10.Konyashin I., Sologubenko A., Weirich T., Ries B. Complexion at WC—Co grain boundaries of cemented carbides. Mater. Lett. 2017. Vol. 187. P. 7—10.Konyashin I., Straumal B.B., Ries B., Bulatov M.F., Kolesnikova K.I. Contact angles of WC/WC grain boundaries with binder in cemented carbides with various carbon content. Mater. Lett. 2017. Vol. 196. P. 1—3.Konyashin I., Straumal B.B., Ries B., Bulatov M.F., Kolesnikova K.I. Contact angles of WC/WC grain boundaries with binder in cemented carbides with various carbon content. Mater. Lett. 2017. Vol. 196. P. 1—3.Konyashin I., Zaitsev A.A., Sidorenko D., Levashov E.A., Ries B., Konischev S.N., Sorokin M., Mazilkin A.A., Herrmann M., Kaiser A. Wettability of tungsten carbide by liquid binders in WC—Co cemented carbides: Is it complete for all carbon contents? Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2017. Vol. 62. P. 134—148.Konyashin I., Zaitsev A.A., Sidorenko D., Levashov E.A., Ries B., Konischev S.N., Sorokin M., Mazilkin A.A., Herrmann M., Kaiser A. Wettability of tungsten carbide by liquid binders in WC—Co cemented carbides: Is it complete for all carbon contents? Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2017. Vol. 62. P. 134—148.Konyashin I., Zaitsev A., Meledin A., Mayer J., Loginov P., Levashov E., Ries B. Interfaces between model Co—WC alloys with various carbon contents and tungsten carbide. Materials. 2018. Vol. 11. No. 3. 404.Konyashin I., Zaitsev A., Meledin A., Mayer J., Loginov P., Levashov E., Ries B. Interfaces between model Co—WC alloys with various carbon contents and tungsten carbide. Materials. 2018. Vol. 11. No. 3. 404.

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