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-2020-4-44-54powder-575Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Влияние режимов смешения порошков Ti и B на характеристики смесей и микроструктуру СВС-композитовInfluence of Ti and B powder mixing modes on mixture properties and SHS composite microstructureБогатовЮ. В.BogatovYu. V.

Кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории энергетического стимулирования физико-химических процессов

142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Eng.), researcher of the Laboratory of energy stimulation of physical and chemical processes

142432, Moscow region, Noginsk district, Chernogolovka, Academician Osip’yan str., 8

xxbroddy@gmail.comЩербаковВ. А.ShcherbakovV. A.

Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией энергетического стимулирования физико-химических процессов

142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Dr. Sci. (Phys.-Math.), head of the Laboratory of energy stimulation of physical and chemical processes

142432, Moscow region, Noginsk district, Chernogolovka, Academician Osip’yan str., 8

vladimir@ism.ac.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)РоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of Sciences (ISMAN)Russian Federation202014122020044454Copyright © НИТУ "МИСИС", 20202020НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/575

Исследовано влияние режимов смешения порошковых смесей титана и бора состава 81,5 % Ti + 18,5 % B в шаровой мельнице на технологические характеристики смесей, параметры горения и микроструктуру СВС-композитов. Показано, что зависимость удельного электросопротивления от плотности шихтовых прессовок для данного состава можно использовать в качестве критерия качества смешения, однородности смесей. Отмечено, что увеличение массы размольных тел включает механизм механоактивации (МА) смесей. Для всех изученных смесей построены зависимости скорости и температуры горения от плотности. Скорости горения для смесей, подвергнутых механоактивации (отношение масс шихты и шаров Мшх/Мшр = 1 : 7; 1 : 12), и без нее (Мшх/Мшр = 1 : 4) существенно отличаются. Для МА-смесей характерны различия по скоростям горения для шихтовых прессовок разной толщины. Тонкие прессовки горят с более высокой скоростью. Скорость горения смесей без МА (в случае меньшей массы размольных тел) от толщины прессовок не зависит. Максимальные температуры горения всех исследуемых смесей в зависимости от плотности, времени смешения и массы размольных тел имеют незначительные различия. Влияние толщины прессовок на температуру горения также не выявлено. Структура СВС-композитов зависит от режимов смешения. Мелкодисперсная структура композитов с зернами из диборида титана (менее 1 мкм) и связующей фазой на основе титана может быть получена только из МА-смесей. Из смесей, для которых процессы механоактивации не существенны, синтезированы сплавы со структурой, состоящей, в основном, из вытянутых зерен моноборида титана (до 40 мкм) и связующей фазы из твердого раствора бора в титане.

The paper studies the influence of mixing modes for titanium and boron powder mixtures with the 81.5 % Ti + 18.5 % B composition in a ball mill on the process characteristics of mixtures, combustion parameters, and microstructure of SHS composites. It is shown that the dependence of the electrical resistivity on the density of charge compacts for the composition under study can be used as a criterion for mixing quality, mixture uniformity. It is noted that an increase in the grinding media mass includes the mechanism of mechanical activation (MA) of mixtures. Dependences of the burning speed and temperature on density were obtained for all the mixtures under study. Burning speeds for mixtures subjected to mechanical activation (Мch/Мball = 1 : 7; 1 : 12) and without it (Мch/Мball = 1 : 4) differ significantly. Mechanically activated mixtures feature by differences in burning speeds depending on the charge compact thickness. Thin compacts burn at a higher speed. The burning speed of mixtures without MA (in case of smaller grinding media masses) does not depend on the compact thickness. Maximum burning temperatures of all the mixtures studied have insignificant differences depending on the density, mixing time and grinding media mass. There was also no any effect of the compact thickness on the burning temperature observed. The structure of SHS composites depends on mixing modes. The finely dispersed structure of composites with titanium diboride grains (less than 1 μm) and a titanium-based binder phase can be obtained only from MA mixtures. Alloys with a structure consisting mainly of elongated titanium monoboride grains (up to 40 μm) and a binder phase of a solid solution of boron in titanium were synthesized of the mixtures for which mechanical activation processes are not essential.

режимы смешениямеханоактивацияпорошковые смеси Ti + BСВС-композитскорость и температура горениямоноборид и диборид титанаmixing modesmechanical activationTi + B powder mixturesSHS compositeburning speed and temperaturetitanium monoboride and diborideReferencesRonald G. Munro. Material properties of titanium diboride. J. Res. Nat. Inst. Stand. Technol. 2000. Vol. 105. No. 5. P. 709—720.Ronald G. Munro. Material properties of titanium diboride. J. Res. Nat. Inst. Stand. Technol. 2000. Vol. 105. No. 5. P. 709—720.Cutler R.A. Engineering properties of borides. In: Engineered materials handbook: Ceramics and glasses. Vol. 4. Ed. S.J. Schneider. ASM International, Materials Park, OH. CRC Press, 1991. P. 787—803.Cutler R.A. Engineering properties of borides. In: Engineered materials handbook: Ceramics and glasses. Vol. 4. Ed. S.J. Schneider. ASM International, Materials Park, OH. CRC Press, 1991. P. 787—803.McLeod A.D., Haggerty J.S., Sadoway D.R. Electrical resistivities of monocrystalline and polycrystalline TiB2. J. Am. Ceram. Soc. 1984. Vol. 67. No. 11. P. 705—709.McLeod A.D., Haggerty J.S., Sadoway D.R. Electrical resistivities of monocrystalline and polycrystalline TiB2. J. Am. Ceram. Soc. 1984. Vol. 67. No. 11. P. 705—709.Basu B., Raju G.B., Suri A.K. Processing and properties of monolithic TiB2 based materials. Int. Mater. Rev. 2006. Vol. 51. P. 352—374.Basu B., Raju G.B., Suri A.K. Processing and properties of monolithic TiB2 based materials. Int. Mater. Rev. 2006. Vol. 51. P. 352—374.Raju G.B., Basu B. Development of high temperature TiB2-based ceramics. Key Eng. Mater. 2009. Vol. 395. P. 89—124.Raju G.B., Basu B. Development of high temperature TiB2-based ceramics. Key Eng. Mater. 2009. Vol. 395. P. 89—124.Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Под ред. Т.Я. Косолаповой. М.: Металлургия, 1986.Properties, preparation and use of refractory compounds. Ed. T.Ya. Kosolapova. Moscow: Metallurgiya, 1986 (In Russ.).Mroz C. Titanium diboride. Am. Ceram. Soc. Bull. 1995. Vol. 74. No. 6. P. 158—159.Mroz C. Titanium diboride. Am. Ceram. Soc. Bull. 1995. Vol. 74. No. 6. P. 158—159.Питюлин А.Н. Силовое компактирование в СВС-процессах. В кн.: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Теория и практика. Черноголовка: Территория, 2001. С. 333—353.Pityulin A.N. Power compaction in SHS processes. In: Self-propagating high-temperature synthesis: Theory and practice. Chernogolovka: Territoriya, 2001. P. 333—353 (In Russ.).Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Новиков Н.П., Филоненко А.К. Безгазовое горение смесей порошков переходных металлов с бором. Физика горения и взрыва. 1974. No. 1. С. 4—15.Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G., Novikov N.P., Filonenko A.K. Gasless combustion of mixtures of powders of transition metals with boron. Fizika goreniya i vzryva. 1974. No. 1. P. 4—15 (In Russ.).Tavadze G.F., Shteinberg A.S. Production of advanced materials by methods of self-propagating hightemperature synthesis. Springer, SpringerBriefs Series in Materials, 2013. DOI: 10.1007/978-3-642-35205-8.Tavadze G.F., Shteinberg A.S. Production of advanced materials by methods of self-propagating hightemperature synthesis. Springer, SpringerBriefs Series in Materials, 2013. DOI: 10.1007/978-3-642-35205-8.Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Штейнберг А.С., Щербаков В.А., Тавадзе Ф.Н., Тавадзе Г.Ф., Хвадагиани А.И. Твердый сплав: А.с. 1253159 (СССР). 1986.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P., Shteinberg A.S., Shcherbakov V.A., Tavadze F.N., Tavadze G.F., Khvadagiani A.I. Hard alloy: Author’s certificate 1253159 (USSR). 1986 (In Russ.).Zhang Xinghong, Xu Qianga, Han Jiecai, Kvanin V.L. Selfpropagating high temperature combustion synthesis of TiB/Ti composites. Mater. Sci. Eng. 2003. Vol. 348. Iss. 1—2. P. 41—46.Zhang Xinghong, Xu Qianga, Han Jiecai, Kvanin V.L. Selfpropagating high temperature combustion synthesis of TiB/Ti composites. Mater. Sci. Eng. 2003. Vol. 348. Iss. 1—2. P. 41—46.Епишин К.Л., Питюлин А.Н. Влияние процессов смешения на закономерности горения шихтовых составов. Физика горения и взрыва. 1986. No. 1. С. 29—33.Epishin K.L., Pityulin A.N. The influence of mixing processes on the laws of combustion of charge compositions. Fizika goreniya i vzryva. 1986. No. 1. P. 29—33 (In Russ.).Епишин К.Л., Питюлин А.Н., Богатов Ю.В., Мендыбаев Р.А. Химические реакции, протекающие при смешении титана с углеродом в различных средах. Порошковая металлургия. 1986. No. 6. С. 67—70.Epishin K.L., Pityulin A.N., Bogatov Yu.V., Mendybaev R.A. Chemical reactions that occur when titanium is mixed with carbon in various environments. Poroshkovaya metallurgiya. 1986. No. 6. P. 67—70 (In Russ.).Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973.Makarov Yu.I. Devices for mixing bulk materials. Moscow: Mashinostroenie, 1973 (In Russ.).Богатов Ю.В., Чижиков А.П., Константинов А.С., Сачкова Н.В., Сычев А.Е. Особенности структурообразования СВС-сплава TiB2—Ti при свободном СВСсжатии. Технол. металлов. 209. No. 10. P. 28—32. DOI: 10.31044/1684-2499-2019-10-0-28-32.Bogatov Yu.V., Chizhikov A.P., Konstantinov A.S., Sachkova N.V., Sychev A.E. Structural features of the TiB2—Ti SHS alloy under free SHS compression. Tekhnologiya metallov. 2019. No. 10. P. 28—32 (In Russ.). DOI: 10.31044/1684-2499-2019-10-0-28-32.Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. Т. 1. Под ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996.State diagrams of double metal systems. Vol. 1. Ed. N.P. Lyakishev. Moscow: Mashinostroenie, 1996 (In Russ.).Кузьма Ю.Б., Чабан Н.Ф. Двойные и тройные системы, содержащие бор: Справочник. М.: Металлургия, 1990.Кузьма Ю.Б., Чабан Н.Ф. Двойные и тройные системы, содержащие бор: Справочник. М.: Металлургия, 1990. Kuz’ma Yu.B., Chaban N.F. Binary and ternary systems containing boron. Moscow: Metallurgiya, 1990 (In Russ.).Похил П.Ф., Мальцев В.М., Зайцев Е.М. Методы исследования процессов горения и детонации. М.: Наука, 1969.Pokhil P.F., Mal’tsev V.M., Zaitsev E.M. Research methods for combustion and detonation processes. Moscow: Nauka, 1969 (In Russ.).Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1991.Kiparisov S.S., Libenson G.A. Powder metallurgy. Moscow: Metallurgiya, 1991 (In Russ.).Цеменко В.Н. Процессы порошковой металлургии. Теория и физические основы уплотнения порошковых материалов: Учеб. пос. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2005.Tsemenko V.N. Powder metallurgy processes. Theory and physical principles of compaction of powder materials. Saint Petersburg: SPbGPU, 2005 (In Russ.).Болдырев В.В. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий. Под ред. Е.Г. Аввакумова. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. Вып. 19.Boldyrev V.V. Fundamental principles of mechanical activation, mechanosynthesis and mechanochemical technologies. Ed. E.G. Avvakumov. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2009. Iss. 19 (In Russ.).Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии волокна. М.: Металлургия, 1972.Bal’shin M.Yu. Scientific basis of fiber powder metallurgy. Moscow: Metallurgiya, 1972 (In Russ.).Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Мержанов А.Г. О влиянии капиллярного растекания на процесс горения безгазовых систем. Физика горения и взрыва. 1981. No. 6. С. 10—15.Kirdyashkin A.I., Maksimov Yu.M., Merzhanov A.G. On the influence of capillary spreading on the combustion process of gas-free systems. Fizika goreniya i vzryva. 1981. No. 6. P. 10—15 (In Russ.).Пономарев М.А., Щербаков В.А., Штейнберг А.С. Закономерности горения тонких слоев порошковой смеси титан—бор. Докл. АН СССР. 1995. Т. 340. No. 5. С. 642—645.Ponomarev M.A., Shcherbakov V.A., Shteinberg A.S. Patterns of burning of thin layers of a titanium-boron powder mixture. Doklady AN SSSR. 1995. Vol. 340. No. 5. P. 642—645 (In Russ.).

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