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-2021-1-38-46powder-590Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Влияние механической активации смесей титана с углеродом на параметры СВС-прессования и микроструктуру консолидированного карбида титанаThe effect of titanium-carbon mixture mechanical activation on SHS pressing parameters and consolidated titanium carbide microstructureБогатовЮ. В.BogatovYu. V.

канд. техн. наук, науч. сотр. 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.

докт. физ.-мат. наук, зав. лабораторией энергетического стимулирования физико-химических процессов

г. Черноголовка

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

Chernogolovka

vladimir@ism.ac.ruКовалевИ. Д.KovalevI. D.

канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. лаборатории рентгеноструктурных исследований

г. Черноголовка

Cand. Sci. (Phys.-Math.), researcher of the Laboratory of X-ray structural studies

Chernogolovka

i2212@yandex.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАНРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of Sciences (ISMAN)Russian Federation202117032021013846Copyright © НИТУ "МИСИС", 20212021НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/590

Изучено влияние режимов механической активации (МА) при смешении стехиометрической смеси порошков титана и сажи в шаровой мельнице на характеристики смесей, параметры горения, относительную плотность и микроструктуру консолидированных образцов из карбида титана, полученных методом СВС-прессования. Определены условия МА реакционных смесей Ti + C в шаровой мельнице. Увеличение массы размольных тел включает механизм МА. Показано, что наибольший эффект от МА получали при двухстадийной подготовке смесей: сначала отдельно активировали титановый порошок, затем осуществляли совместное смешение компонентов, в ходе которого происходило не только их перемешивание, но и активация порошка сажи. Установлено, что на характеристики горения оказывает влияние активация не только титана, но и сажи. После МА обоих компонентов на прессованных образцах обнаружен аномальный рост скорости горения (более 100 см/с). При насыпной плотности влияние МА на процесс горения смесей отсутствовало, поскольку в этом случае скорость горения всех смесей находилась в интервале 1,5–2,5 см/с. Выявлено, что МА реагентов для прессованных образцов приводит к повышению температуры горения, увеличению относительной плотности консолидированного тугоплавкого продукта до 93–95 % и уменьшению среднего размера зерен TiC. Снижение остаточной пористости консолидированного TiC обусловлено ростом температуры горячего прессования и пластичности продукта, синтезированного при горении реакционной смеси после МА. Основная причина – увеличение скорости экзотермического взаимодействия. Показано, что МА при смешении реагентов позволяет управлять параметрами горения, микроструктурой консолидированных продуктов и открывает новые возможности для получения методом СВС-прессования тугоплавких материалов с уникальными структурой и свойствами.

The paper studies the effect of mechanical activation (MA) modes when stirring a stoichiometric mixture of titanium and soot powders in a ball mill on the properties of mixtures, combustion parameters, relative density, and the microstructure of consolidated titanium carbide samples obtained by SHS. MA conditions for Ti + C reaction mixtures in a ball mill were determined. An increase in the mass of grinding bodies activates the MA mechanism. It was shown that the greatest effect from MA was obtained with a two-stage preparation of mixtures: firstly, the titanium powder was activated separately, then the components were mixed together, and this process included not only their mixing, but also soot powder activation. It was found that combustion behavior is affected by the activation of not only titanium, but also soot. After MA of both components, an anomalous increase in the burning rate (more than 100 cm/s) was found on pressed samples. At the bulk density, there was no effect of MA on the mixture combustion process, since in this case the burning rate of all mixtures was in the range of 1.5–2.5 cm/s. It was revealed that MA of reagents for pressed samples leads to an increase in the combustion temperature, an increase in the relative density of the consolidated refractory product to 93–95 %, and a decrease in the average size of TiC grains. A decrease in the residual porosity of consolidated TiC is due to an increase in the hot pressing temperature and plasticity of the product synthesized during the reaction mixture combustion after MA. The main reason is an increase in the exothermic interaction rate. It was shown that MA when mixing reagents makes it possible to control combustion parameters, the microstructure of consolidated products and opens up new opportunities for obtaining refractory materials featuring a unique structure and properties by SHS pressing.

механическая активацияшаровая мельницаСВС-прессованиескорость и температура горениятугоплавкое соединениеконсолидированный TiCmechanical activationball millSHS pressingburning rate and temperaturerefractory compoundconsolidated TiCReferencesКипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана. Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987.Kiparisov S.S., Levinsky Yu.V., Petrov A.P. Titanium carbide. Obtaining, application properties. Moscow: Metallurgiya, 1987 (In Russ.).Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976.Tret’yakov V.I. Fundamentals of metal science and technology for the production of hard alloys. Moscow.: Metallurgiya, 1976 (In Russ.).Vasanthakumar K., Bakshi S.R. Effect of C/Ti ratio on densification, microstructure and mechanical properties of TiC x prepared by reactive spark plasma sintering. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. No. 1. P. 484—494.Vasanthakumar K., Bakshi S.R. Effect of C/Ti ratio on densification, microstructure and mechanical properties of TiC x prepared by reactive spark plasma sintering. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. No. 1. P. 484—494.Liu G., Li J., Chen K. Combustion synthesis of refractory and hard materials: A review. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 39. P. 90—102. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.09.002.Liu G., Li J., Chen K. Combustion synthesis of refractory and hard materials: A review. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 39. P. 90—102. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.09.002.Lixia Cheng, Zhipeng Xie, Guanwei Liu, Wei Liu, Weinjiang Xui. Densification and mechanical properties of TiC by SPS-effects of holding time, sintering temperature and pressure condition. J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. P. 3399—3406.Lixia Cheng, Zhipeng Xie, Guanwei Liu, Wei Liu, Weinjiang Xui. Densification and mechanical properties of TiC by SPS-effects of holding time, sintering temperature and pressure condition. J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. P. 3399—3406.Aziz Babapoo, Mehdi Shahedi Asl, Zohre Ahmadi, Abbas Sabahi Namini. Effects of spark plasma sintering temperature on densification, hardness and thermal conductivity of titanium carbide. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. Iss. 12. P. 14541—14546. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.071.Aziz Babapoo, Mehdi Shahedi Asl, Zohre Ahmadi, Abbas Sabahi Namini. Effects of spark plasma sintering temperature on densification, hardness and thermal conductivity of titanium carbide. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. Iss. 12. P. 14541—14546. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.071.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.).Богатов Ю.В., Левашов Е.А., Питюлин А.Н. Влияние особенностей процесса СВС на структуру компактного карбида титана. Порошковая металлургия. 1991. No. 7. С. 76—78.Bogatov Yu.V., Levashov E.A., Pityulin A.N. The influence of the features of the SHS process on the structure of compact titanium carbide. Poroshkovaya Metallurgiya. 1991. No. 7. P. 76—78 (In Russ.).Capaldi M.J., Saidi A., Wood J.V. Reaction synthesis of TiC and Fe—TiC composites. ISIJ Intern. 1997. Vol. 37. No. 2. P. 188—193.Capaldi M.J., Saidi A., Wood J.V. Reaction synthesis of TiC and Fe—TiC composites. ISIJ Intern. 1997. Vol. 37. No. 2. P. 188—193.Xing-Hong Zhang, Jie-Cai Han, Xiao-Dong He, Kvanin V.L. Combustion synthesis and thermal stress analysis of TiC—Ni functionally graded materials. J. Mater. Synth. Process. 2000. Vol. 8. No. 1. P. 29—34.Xing-Hong Zhang, Jie-Cai Han, Xiao-Dong He, Kvanin V.L. Combustion synthesis and thermal stress analysis of TiC—Ni functionally graded materials. J. Mater. Synth. Process. 2000. Vol. 8. No. 1. P. 29—34.Xinghong Zhang, Xiaodong He, Jiecai Han, Wei Qu, Kvanin V.L. Combustion synthesis and densification of largescale TiC—xNi cermets. Mater. Lett. 2002. Vol. 56. No. 3. P. 183—187.Xinghong Zhang, Xiaodong He, Jiecai Han, Wei Qu, Kvanin V.L. Combustion synthesis and densification of largescale TiC—xNi cermets. Mater. Lett. 2002. Vol. 56. No. 3. P. 183—187.Shcherbakov V.A., Telepa V.T., Shcherbakov A.V. Fused TiC by electrothermal explosion under pressure. Int. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 4. P. 251—252. DOI: 10.3103/S1061386215040111.Shcherbakov V.A., Telepa V.T., Shcherbakov A.V. Fused TiC by electrothermal explosion under pressure. Int. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 4. P. 251—252. DOI: 10.3103/S1061386215040111.Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Telepa V.T., Shcherbakov A.V. Electrothermal explosion in Ti—C mixtures under pressure. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 2. P. 122—124.Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Telepa V.T., Shcherbakov A.V. Electrothermal explosion in Ti—C mixtures under pressure. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 2. P. 122—124.Alam M.S., Shafirovich E. Mechanically activated combustion synthesis of molybdenum silicides and borosilicides for ultrahigh-temperature structural applications. Proc. Combust. Inst. 2015. Vol. 35. P. 2275—2281. http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.019.Alam M.S., Shafirovich E. Mechanically activated combustion synthesis of molybdenum silicides and borosilicides for ultrahigh-temperature structural applications. Proc. Combust. Inst. 2015. Vol. 35. P. 2275—2281. http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.019.Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Колесниченко К.В. Закономерности влияния предварительного механического активирования на реакционную способность СВС-смесей на основе титана. Известия вузов. Цветная металлургия. 2000. No. 6. С. 61—67.Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Kolesnichenko K.V. Regularities of the effect of preliminary mechanical activation on the reactivity of titanium-based SHS mixtures. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya (Universities’ Proceedings. Non-Ferrous Metallurgy). 2000. No. 6. P. 61—67 (In Russ.).Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deida C., Delogu F., Cocco G., Munir Z.F. Role mechanical activation in SHS synthesis of TiC. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227—5230.Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deida C., Delogu F., Cocco G., Munir Z.F. Role mechanical activation in SHS synthesis of TiC. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227—5230.Кочетов Н.А., Рогачев А.С., Погожев Ю.С. Влияние способа механического активирования реакционной смеси на скорость распространения волны СВС-реакций и микроструктуру твердого сплава TiC—Ni. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. No. 3. С. 31—35.Kochetov N.A., Rogachev A.S., Pogozhev Yu.S. The influence of the method of mechanical activation of the reaction mixture on the wave propagation velocity of SHS reactions and the microstructure of the TiC—Ni alloy. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Universities’ Proceedings. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2009. No. 3. P. 31—35 (In Russ.).Богатов Ю.В., Баринов В.Ю., Щербаков В.А. Влияние морфологии порошков титана на параметры СВС и структуру компактного диборида титана. Перспект. материалы. 2020. No. 3. С. 50—60. DOI: 10.30791/1028978X-2020-3-50-60.Bogatov Yu.V., Barinov V.Yu., Shcherbakov V.A. The effect of the morphology of titanium powders on the SHS parameters and the structure of compact titanium diboride. Perspektivnye materialy. 2020. No. 3. P. 50—60 (In Russ.). DOI: 10.30791/1028-978X-2020-3-50-60.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 рентг. анализа. 1974. Вып. 15. С. 37—45.Dymchenko N.P., Shishlyannikova L.M., Yaroslavtseva N.N. The use of computers in calculating the fine crystalline structure of polycrystals by the second and fourth moments method. Apparatura i metody rentgenovskogo analiza. 1974. Iss. 15. P. 37—45 (In Russ.).Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Учеб. пос. М.: Металлургия, 1976.Saltykov S.A. Stereometric metallography. Moscow: Metallurgiya, 1976 (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.).Шадринов Н.В., Капитонов Е.А. Влияние активации технического углерода на свойства бутадиен-нитрильной резины. Перспект. материалы. 2014. No. 8. С. 50—55.Shadrinov N.V., Kapitonov E.A. Effect of carbon black activation on the properties of nitrile butadiene rubber. Perspektivnye materialy. 2014. No. 8. P. 50—55 (In Russ.).Rubber technology. Compounding and testing for performance. Ed. J.S. Dick. Munich: Hanser Publ.; Cincinnati: Hanser Gardner Publ., 2001.Rubber technology. Compounding and testing for performance. Ed. J.S. Dick. Munich: Hanser Publ.; Cincinnati: Hanser Gardner Publ., 2001.Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты. Омск: ОАО «Техуглерод», 2004.Ivanovskii V.I. Carbon black. Processes and apparatuses. Omsk: OAO «Tekhuglerod», 2004 (In Russ.).Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материалов давлением. Киев: Наук. думка, 1980.Koval’chenko M.S. The theoretical basis of the hot processing of porous materials by pressure. Kiev: Naukova dumka, 1980 (In Russ.).

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