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-2021-3-34-42powder-615Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Влияние механической активации и параметров горения на СВС-компактирование карбида титанаEffect of mechanical activation and combustion parameters on titanium carbide SHS compactionБогатовЮ. В.BogatovYu. V.

Кандидат технических наук, ст. науч. сотрудник лаборатории энергетического стимулирования физико-химических процессов

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

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

142432, Moscow reg., Chernogolovka, Acad. Osip’yan str., 8

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

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

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

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

142432, Moscow reg., Chernogolovka, Acad. 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 SciencesRussian Federation202117092021033442Copyright © Богатов Ю.В., Щербаков В.А., 20212021Богатов Ю.В., Щербаков В.А.Bogatov Y.V., Shcherbakov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/615

Представлены результаты исследования по получению методом СВС-компактирования плотного карбида титана. Выявлено, что использование механически активированной реакционной смеси порошков титана и сажи позволяет получить образцы карбида титана с максимальной относительной плотностью 95 %. Особенностью настоящей работы является то, что механическую активацию компонентов и смешивание смеси Ti + C проводили в шаровой мельнице. Исследовано влияние технологических параметров на характеристики горения и структуру консолидированного карбида титана. Установлено, что для получения высокоплотного карбида титана необходимым условием является реализация режима высокоскоростного горения реакционной смеси. Показано, что скорость и температура горения сильно зависят от размеров, массы и плотности шихтовых прессовок. При увеличении диаметра (20–58 мм) и массы (10–70 г) прессованных образцов из смесей с активированными реагентами скорость горения менялась от 10 до 100 см/с, а температура горения – от 2200 до 3100 °С. Показано влияние давления подпрессовки (прикладываемое на стадии горения) на скорость и температуру процесса горения: скорость резко снижается от 100 до 10 см/с в интервале давлений 0–10 МПа, а температура монотонно уменьшается от 3000 до 2000 °С при давлении 0–40 МПа. Предложен механизм высокоскоростного горения реакционной смеси титана и сажи, в котором важным фактором является образование радиальных (продольных) трещин в образцах, спрессованных из механически активированной смеси. Они обеспечивают распространение раскаленных примесных газов и инициирование экзотермической реакции в объеме образца.

The paper presents the results of a study on the dense titanium carbide production by SHS compaction. It is shown that the use of a mechanically activated reaction mixture of titanium and carbon black powders makes it possible to obtain titanium carbide samples with a maximum relative density of 95 %. A feature of this research is that the mechanical activation of components and Ti + C mixture stirring were carried out in a ball mill. The study covers the influence of process parameters on the combustion properties and structure of the consolidated titanium carbide. It was found that the high-speed reaction mixture combustion is an essential condition for dense titanium carbide production. It was shown that the burning rate and temperature strongly depend on the size, mass and density of charge compacts. With an increase in the diameter (20–58 mm) and weight (10–70 g) of compacts made of mixtures with activated reagents, the burning rate varied from 10 to 100 cm/s, and the burning temperature varied from 2200 to 3100 °C. An influence of the pre-pressing pressure (applied at the combustion stage) on the burning rate and temperature was shown: the burning rate sharply decreases from 100 to 10 cm/s at pressures between 0 and 10 MPa, and the combustion temperature decreases monotonically from 3000 to 2000 °C at pressures between 0 and 40 MPa. A high-speed combustion mechanism was proposed for the titanium and carbon black reaction mixture where the formation of radial (longitudinal) cracks in compacts pressed from the mechanically activated mixture is an important factor. These cracks ensure the propagation of incandescent impurity gases and the exothermic reaction initiation in the sample volume.

механическая активацияшаровая мельницаСВС-прессованиескорость и температура горенияконсолидированный TiCmechanical activationball millSHS pressingburning rate and temperatureconsolidated TiCReferencesMerzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Historical retrospective of SHS: An аutoreview. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. P. 242—265.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Historical retrospective of SHS: An аutoreview. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. P. 242—265.Мержанов А.Г., Ратников В.И., Боровинская И.П., Дубовицкий Ф.И., Энман В.К., Богородский Е.С., Шифрин Я.А., Горячев Н.С., Рябин А.И., Сурнин Б.Н. Твердый материал: А.с. No. 824677 (СССР). 1978.Merzhanov A.G., Ratnikov V.I., Borovinskaya I.P., Dubovitsky F.I., Enman V.K., Bogorodsky E.S., Shifrin Ya.A., Goryachev N.S., Ryabin A .I., Surnin B.N. Solid material. Author’s certificate No. 824677 (USSR). 1978 (In Russ.).Левашов Е.А., Богатов Ю.В., Рогачев А.С., Питюлин А.Н., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Закономерности формирования структуры твердых инструментальных материалов в процессе СВС-компактирования. Инженерно-физический журнал. 1992. Т. 63. No. 5. С. 558—576.Levashov E.A., Bogatov Yu.V., Rogachev A.S., Pityulin A.N., Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G. Regularities of the formation of the structure of solid tool materials in the process of SHS-compaction. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 1992. Vol. 63. No. 5. P. 558—576 (In Russ.).Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Уч. пос. М.: Изд. дом МИСиС, 2011.Levashov E.A., Rogachev A.S., Kurbatkina V.V., Maksimov Yu.M., Yukhvid V.I. Advanced materials and technologies for self-propagating high-temperature synthesis. Moscow: Izd. Dom MISIS, 2011 (In Russ.).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.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. Synt. Proces. 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. Synt. Proces. 2000. Vol. 8. No. 1. P. 29—34.Tavadze G.F., Shteinberg A.S. Production of advanced materials by methods of self-propagating high-temperature synthesis. Springer, 2013. DOI: 10.1007/978-3-642-35205-8.Tavadze G.F., Shteinberg A.S. Production of advanced materials by methods of self-propagating high-temperature synthesis. Springer, 2013. DOI: 10.1007/978-3-642-35205-8.Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердо-пламенное горение. М.: Торус Пресс, 2007.Merzhanov A.G., Mukasyan A.S. Solid-flame combustion. Moscow: Torus Press, 2007 (In Russ.).Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. Черноголовка: ИСМАН, 2000.Merzhanov A.G. Solid flame combustion. Chernogolovka: ISMAN, 2000 (In Russ.).Кипарисов 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.).Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A. Forced SHS compaction of Ti—B blends: Influence of mixing conditions and sample mass. Int. J. SHS. 2020. Vol. 29. No. 2. P. 100— 103. DOI: 10.3103/S106138622002003X.Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A. Forced SHS compaction of Ti—B blends: Influence of mixing conditions and sample mass. Int. J. SHS. 2020. Vol. 29. No. 2. P. 100— 103. DOI: 10.3103/S106138622002003X.Manukyan Kh.V., Ya-Cheng Lin, Rouvimov S., McGinn P.J., Mukasyan A.S. Microstructure-reactivity relationship of Ti + C reactive nanomaterials. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. Art. 024302. DOI: 10.1063/1.4773475.Manukyan Kh.V., Ya-Cheng Lin, Rouvimov S., McGinn P.J., Mukasyan A.S. Microstructure-reactivity relationship of Ti + C reactive nanomaterials. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. Art. 024302. DOI: 10.1063/1.4773475.Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deidda C., Delongu F., Cocco G., Munir Z.A. Role mechanical activation in SHS synthesis of TiC. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227— 5230.Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deidda C., Delongu F., Cocco G., Munir Z.A. Role mechanical activation in SHS synthesis of TiC. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227— 5230.Богатов Ю.В., Щербаков В.А., Ковалев И.Д. Влияние механической активации смесей титана с углеродом на параметры СВС-прессования и микроструктуру консолидированного карбида титана. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021. Т. 15. No. 1. С. 38—46. DOI: 10.17073/1997-308X-2021-1-38-46.Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A., Kovalev I.D. The effect of titanium-carbon mixture mechanical activation on SHS pressing parameters and consolidated titanium carbide microstructure. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Powder Metallurgy and Functional Coatings). 2021. Vol. 15. No. 1. P. 38—46 (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.)Богатов Ю.В., Баринов В.Ю., Щербаков В.А. Влияние морфологии порошков титана на параметры СВС и структуру компактного диборида титана. Перспективные материалы. 2020. No. 3. С. 50—60. DOI: 10.30791/1028-978X-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. Perspektivnyye materialy. 2020. No. 3. P. 50—60 (In Russ.).Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Уч. пос. М.: Металлургия, 1976.Saltykov S.A. Stereometricmetallography. Moscow: Metallurgiya, 1976 (In Russ.).Шадринов Н.В., Капитонов Е.А. Влияние активации технического углерода на свойства бутадиен-нитрильной резины. Перспективные 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. Perspektivnyye materialy. 2014. No. 8. P. 50—55 (In Russ.).Dick J.S. (Ed.) Rubber technology. Compounding and testing for performance. Munich, Cincinnati: Hanser Publ., 2001.Dick J.S. (Ed.) Rubber technology. Compounding and testing for performance. Munich, Cincinnati: Hanser Publ., 2001.Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты. Омск: ОАО «Техуглерод», 2004.Ivanovsky V.I. Carbon black. Processes and apparatuses. Omsk: LLC «Tehuglerod», 2004 (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.)Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Штейнберг А.С. Макрокинетика процесса СВС-компактирования. Инженерно-физический журнал. 1992. Т. 63. No. 5. С. 583— 592.Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Steinberg A.S. Macrokinetics of the SHS-compaction process. Inzhenernofizicheskiy zhurnal. 1992. Vol. 63. No. 5. P. 583—592 (In Russ.).Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for material synthesis. Boca Raton—London—New York: CRC Press, 2014.Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for material synthesis. Boca Raton—London—New York: CRC Press, 2014.Щербаков В.А. Диспергирование тугоплавкого реагента в волне безгазового горения. Докл. Академии наук. 1996. Т. 347. No. 5. С. 645—648.Shcherbakov V.A. Dispersion of a refractory reagent in a gasless combustion wave. Doklady Akademii nauk. 1996. Vol. 347. No. 5. P. 645—648 (In Russ.).Shkodich N.F., Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Sachkova N.V., Chassagnon R. Reactivity of mechanoactivated Ni—Al blends. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21 No. 2. P. 104—109.Shkodich N.F., Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Sachkova N.V., Chassagnon R. Reactivity of mechanoactivated Ni—Al blends. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21 No. 2. P. 104—109.

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