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-2021-1-31-37powder-589Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Горение в слоевых порошковых смесях Ni + Al и Ti + Al + CCombustion in layered Ni + Al and Ti + Al + C powder mixturesШульпековА. М.Shul′pekovA. M.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. науч.-иссл. отдела структурной макрокинетики

634055, г. Томск, пр. Академический, 10/3

Cand. Sci. (Eng.), leading researcher of the Department of structural macrokinetics

634055, Tomsk, Academicheskii pr., 10/3

shulp@yandex.ruГаббасовР. М.GabbasovR. M.

канд. техн. наук, науч. сотр. науч.-иссл. отдела структурной макрокинетики

г. Томск

Cand. Sci. (Eng.), researcher of the Department of structural macrokinetics

Tomsk

ramilus@yandex.ruЛепаковаО. К.LepakovaO. K.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. науч.-иссл. отдела структурной макрокинетики

г. Томск

Cand. Sci. (Eng.), leading researcher of the Department of structural macrokinetics

Tomsk

klavdievna.k@yandex.ruТомский научный центр (ТНЦ) СО РАНРоссияTomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202116032021013137Copyright © НИТУ "МИСИС", 20212021НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/589

Работа посвящена разработке технологии получения металлокерамических покрытий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Актуальность данного исследования связана с повсеместным использованием плоских электрических нагревателей и защитных покрытий различного назначения. Предложен способ получения электропроводящих покрытий путем СВС в порошковых смесях Ni + Al и Ti + Al + C. Исследованы особенности протекания автоволнового СВС в этих смесях. Смесь наносилась на керамическую подложку в виде слоя толщиной (0,2÷2,0)·10–3 м через трафарет в виде суспензии в изопропиловом спирте. Изучено влияние толщины порошкового слоя смеси на скорость распространения фронта и его максимальную температуру. Показано, что с увеличением толщины эти параметры закономерно возрастают. Установлено, что покрытие на основе смеси Ni + Al состоит из интерметаллидов состава NiAl, Ni3Al, а на основе смеси Ti + Al + C – из TiC и МАХ-фаз Ti2AlC, Ti3AlC2 . Покрытие на основе интерметаллидов представлено округлыми частицами, сплавленными друг с другом, которые содержат фазы NiAl, Ni3Al. В покрытиях, полученных из смеси Ti + Al + C, наблюдаются игольчатые кристаллы МАХ-фаз и вкрапления округлых частиц карбида титана. Содержание целевых фаз NiAl и Ti2AlC растет с увеличением толщины слоя. Получены покрытия на основе термостойких фаз NiAl, Ni3Al и Ti2AlC, Ti3AlC2 толщиной (0,2÷1,2)·10–3 м с удельным электрическим сопротивлением 0,1–0,6 мкОм·м.

The paper focuses on the development of a cermet coating production technology using the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS). The relevance of this study is associated with the widespread use of flat electric heaters and protective coatings for various purposes. A method for producing electrically conductive coatings using SHS in Ni + Al and Ti + + Al + C powder mixtures was proposed. The features of the autowave SHS process in Ni + Al and Ti + Al + C powder mixtures were investigated. The mixture was applied to a ceramic substrate in the form of a layer (0.2÷2.0)·10–3 m in thickness through a stencil in the form of a suspension in isopropyl alcohol. The effect of the mixture powder layer thickness on the front propagation velocity and maximum temperature was studied. It was shown that these parameters naturally increase with an increase in the thickness. It was found that the coating based on the Ni + Al mixture consists of NiAl, Ni3Al intermetallic compounds, and the coating based on Ti + Al + C consists of TiC and MAX phases of Ti2AlC, Ti3AlC2. The coating based on intermetallic compounds consists of rounded particles fused together and containing NiAl, Ni3Al phases. Coatings obtained from the Ti + Al + C mixture contain needle crystals of MAX phases and interspersed rounded particles of titanium carbide. The content of the NiAl and Ti2AlC target phases increases with the increasing layer thickness. Coatings based on NiAl, Ni3Al and Ti2AlC, Ti3AlC2 heat-resistant phases (0.2÷1.2)·10–3 m in thickness with a specific electrical resistance of 0.1–0.6 μΩ·m were obtained.

самораспространяющийся высокотемпературный синтезинтерметаллидМАХ-фазапокрытиеэлектронагревательself-propagating high-temperature synthesisintermetallic compoundMAX-phasecoatingelectric heaterРабота выполнена в рамках государственного задания ТНЦ СО РАН (проект № 0365-2019-0004).The research was carried out as part of the government task to the Tomsk Scientific Center of SB RAS (Project No. 0365-2019-0004).ReferencesYue Yang, Hua Wu. Microstructure and microhardness of tempered Ni—Al alloyed layer. J. Mater. Sci. Technol. 2012. Vol. 28. No. 10. P. 937—940.Yue Yang, Hua Wu. Microstructure and microhardness of tempered Ni—Al alloyed layer. J. Mater. Sci. Technol. 2012. Vol. 28. No. 10. P. 937—940.Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды Ni3 Al и TiAl: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург: УрО РАН, 2002.Grinberg B.A., Ivanov M.A. Intermetallides Ni3 Al and TiAl: microstructure, deformation behavior. Ekaterinburg: UrO RAN, 2002 (In Russ.).Хасуй А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985.Hasui A., Morigaki O. Surfacing and spraying. Moscow: Mashinostroenie, 1985 (In Russ.).Miladin Radovic, Barsoum M.W. MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics. Am. Ceram. Soc. Bull. 2013. Vol. 92. No. 3. P. 20—27.Miladin Radovic, Barsoum M.W. MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics. Am. Ceram. Soc. Bull. 2013. Vol. 92. No. 3. P. 20—27.Barsoum M.W., El-Raghy T., Porter W.D., Wang H., Ho J.C., Chakraborty S. Oxidation of Hf2 SnC and Nb2 SnC in air in the 400—600 °C temperature range. J. Appl. Phys. 2000. Vol. 88. P. 6316.Barsoum M.W., El-Raghy T., Porter W.D., Wang H., Ho J.C., Chakraborty S. Oxidation of Hf2 SnC and Nb2 SnC in air in the 400—600 °C temperature range. J. Appl. Phys. 2000. Vol. 88. P. 6316.Рубцова О.А., Кучумова И.Д., Миллер В.С. Структурные исследования покрытий из никелида. В сб.: Наука. Промышленность. Оборона: Тр. 16 Всеросс. науч.-техн. конф. (Новосибирск, 22—24 апр. 2015 г.). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. С. 675—678.Rubtsova O.A., Kuchumova I.D., Miller V.S. Structural studies of nickelide coatings. In: Science. Industry. Defense: Proc. 16 All-Russ. sci.-tech. conf. (Novosibirsk, 22—24 Apr. 2015). Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2015. P. 675—678 (In Russ.).Челноков Е.И. Керамический электронагревательный элемент и способ его изготовления: Пат. 2154361 (РФ). 2000.Chelnokov E.I. Ceramic electric heating element and method for its manufacture: Pat. 2154361 (RF). 2000 (In Russ.).Андронов Б.Н., Журавов В.Д., Молотков В.А., Титова В.В., Шумовский В.И. Толстопленочный резистивный элемент: Пат. 2054720 (РФ). 1992.Andronov B.N., Zhuravov V.D., Molotkov V.A., Titova V.V., Shumovskii V.I. Thick film resistive element: Pat. 2054720 (RF). 1992 (In Russ.).Шульпеков А.М., Лапшин О.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в тонкослойной системе CuO—B—стекло. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018. No. 3. С. 46—54.Shul’pekov A.M., Lapshin O.V. Self-propagating hightemperature synthesis in a thin-layer CuO—B—glass system. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Universities’ Proceedings. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2018. No. 3. P. 4654 (In Russ.).Шульпеков А.М. Стеклокерамические СВС-покрытия для пленочных электронагревателей. Актуал. пробл. соврем. науки. 2017. Т. 93. No. 2. С. 212—215.Shul’pekov A.M. Glass-ceramic SHS coatings for film electric heaters. Aktual’nye problemy sovremennoi nauki. 2017. Vol. 93. No. 2. P. 212—215 (In Russ.).Wang X.W., Zhou V.C. Layered machinable and electrically conductive Ti 2 AlC and Ti3 AlC 2 ceramics. J. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol. 26. No. 5. P. 385—416.Wang X.W., Zhou V.C. Layered machinable and electrically conductive Ti 2 AlC and Ti3 AlC 2 ceramics. J. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol. 26. No. 5. P. 385—416.Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1989.Itin V.I., Naiborodenko Yu.S. High temperature synthesis of intermetallic compounds. Tomsk: Izd-vo Tomsk. un-ta, 1989 (In Russ.).Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Shtansky D.V., Petrzhik M.I. Self-propagating high-temperature synthesis of ceramic materials based on the Mn+1 AX n phases in the Ti—CrAl—C system. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2009. Vol. 50. No. 2. Р. 151—159.Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Shtansky D.V., Petrzhik M.I. Self-propagating high-temperature synthesis of ceramic materials based on the Mn+1 AX n phases in the Ti—CrAl—C system. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2009. Vol. 50. No. 2. Р. 151—159.Zhimei Sun, Rajeev Ahuja, Jochen M. Theoretical investigation of the solubility in (Mx M′2–x )AlC (M and M′ = Ti, V, Cr). Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68. P. 224112224119.Zhimei Sun, Rajeev Ahuja, Jochen M. Theoretical investigation of the solubility in (Mx M′2–x )AlC (M and M′ = Ti, V, Cr). Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68. P. 224112224119.Федотов А.Ф., Амосов А.П., Латухин Е.И., Ермошкин А.А., Давыдов Д.М. Влияние газифицирующих добавок на фазовый состав продуктов горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе МАХ-фаз в системе Ti—Al—C. Изв. Самарск. науч. центра РАН. 2004. Т. 16. No. 6. С. 50—55.Fedotov A.F., Amosov A.P., Latukhin E.I., Ermoshkin A.A., Davydov D.M. The effect of gasifying additives on the phase composition of combustion products during self-propagating high-temperature synthesis of MAX phases in the Ti—Al—C system. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2004. Vol. 16. No. 6. P. 50—55 (In Russ.).Shulpekov A.M., Lepakova O.K., Salamatov V.G., Afanasyev N.I. Advanced structural materials based on the Ti—Cr—Al—C system. J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1115. Iss. 4. P. 042059. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/4/042059.Shulpekov A.M., Lepakova O.K., Salamatov V.G., Afanasyev N.I. Advanced structural materials based on the Ti—Cr—Al—C system. J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1115. Iss. 4. P. 042059. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/4/042059.Комарова М.В., Ворожцов А.Б., Вакутин А.Г. Исследование скорости горения высокоэнергетических материалов, содержащих модифицированный наноалюминий. Ползуновский вестник. 2015. No. 4. Т. 1. С. 88—91.Komarova M.V., Vorozhtsov A.B., Vakutin A.G. The study of the burning rate of high-energy materials containing modified nanoaluminum. Polzunovskii vestnik. 2015. Vol. 1. No. 4. P. 88—91 (In Russ.).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. No. 2. 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. No. 2. P. 778—784.Kochetov N.A., Vadchenko S.G. Mechanically activated SHS of NiAl: Effect of Ni morphology and mechanoactivation conditions. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 55—58.Kochetov N.A., Vadchenko S.G. Mechanically activated SHS of NiAl: Effect of Ni morphology and mechanoactivation conditions. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 55—58.Гринчук П.С., Рабинович О.С., Рогачев А.С., Кочетов Н.А. Экспериментальное исследование горения разбавленных механоактивированных порошков на основе Ni/Al. В сб.: Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях: Тр. 4-й Росс. нац. конф. по теплообмену (Москва, 23—27 окт. 2006). М.: Изд-во МЭИ, 2006. В 8 т. Т. 3. С. 211—214.Grinchuk P.S., Rabinovich O.S., Rogachev A.S., Kochetov N.A. An experimental study of the combustion of diluted mechanically activated powders based on Ni/Al. In: Free convection. Heat and mass transfer during chemical transformations: Proc. 4-th Russ. conf. on heat exchange (Moscow, 23—27 Oct. 2006). Moscow: Publ. MEI. Vol. 3. P. 211—214 (In Russ.).Долматов А.В., Пинчук М.В., Сергейчев А.В. Оптические измерения и анализ тепловой микроструктуры волны СВС в системе Ni—Al. Вестн. Югорского гос. ун-та. 2015. Вып. 2. No. 37. С. 14—26.Dolmatov A.V., Pinchuk M.V., Sergeichev A.V. Optical measurements and analysis of the thermal microstructure of the SHS wave in the Ni—Al system. Vestnik Yugorskogo gos. un-ta. 2015. Iss. 2. No. 37. P. 14—26 (In Russ.).Shulpekov A.M., Gabbasov R.M. Coating in the Ni—Al system using the SHS method. J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1115. Iss. 4. P. 042061. https://doi.org/10.1088/17426596/1115/4/042061.Shulpekov A.M., Gabbasov R.M. Coating in the Ni—Al system using the SHS method. J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1115. Iss. 4. P. 042061. https://doi.org/10.1088/17426596/1115/4/042061.Реут О.П., Хина Б.Б., Маркова Л.В., Толстяк Э.И., Саранцев В.В. Технология нанесения покрытий на основе карбида титана ЭИО деталей с СВС-реагентами. Литье и металлургия. 2007. No. 1. С. 145—153.Reut O.P., Khina B.B., Markova L.V., Tolstyak E.I., Sarantsev V.V. Coating technology based on titanium carbide HER parts with SHS reagents. Lit’yo i metallurgiya. 2007. No. 1. P. 145—153 (In Russ.).Magunov A.N. Spectral pyrometry (Review). Prib. Tekh. Eksp. 2009. No. 4. P. 5—28.Magunov A.N. Spectral pyrometry (Review). Prib. Tekh. Eksp. 2009. No. 4. P. 5—28.Кочетов Н.А., Сеплярский Б.С. Зависимость скорости горения от размера образца в системе Ni + Al. Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. No. 4. С. 29—35.Kochetov N.A., Seplyarskii B.S. Dependence of the burning rate on the sample size in the Ni + Al system. Fizika goreniya i vzryva. 2014. Vol. 50. No. 4. P. 29—35 (In Russ.).

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