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-2021-2-13-21powder-620Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Синтез литых материалов на основе МАХ-фаз в системе Cr–Ti–Al–CSynthesis of cast materials based on MAX phases in Cr–Ti–Al–C systemГоршковВ. А.GorshkovV. A.

Докт. техн. наук, вед. науч. сотрудник лаборатории жидкофазных СВС-процессов и литых материалов

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

Dr. Sci. (Tech.), Leading researcher, Laboratory «SHS melts and cast materials»

142432, Russia, Moscow reg., Chernogolovka, Acad. Osip′yan str., 8

gorsh@ism.ac.ruХоменкоН. Ю.KhomenkoN. Yu.

Науч. сотрудник лаборатории рентгеноструктурных исследований

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

Researcher, Laboratory of X-ray investigation

142432, Russia, Moscow reg., Chernogolovka, Acad. Osip′yan str., 8

natashayrievna@gmail.comКовалевД. Ю.KovalevD. Yu.

Канд. техн. наук, зав. лабораторией рентгеноструктурных исследований

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

Cand. Sci. (Eng.), Head оf the Laboratory of X-ray investigation

142432, Russia, Moscow reg., Chernogolovka, Acad. Osip′yan str., 8

kovalev@ism.ac.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН) им. А.Г. МержановаРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of Russian Academy of Sciences (ISMAN)Russian Federation202123092021021321Copyright © НИТУ "МИСИС", 20212021НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/620

Используя совместно два варианта процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: СВС из элементов и СВС-металлургии, получены литые материалы на основе MAX-фаз Cr2AlC и (Cr0,7Ti0,3)2AlC. В экспериментах применялись смеси с составами, рассчитанными согласно химической схеме 70%(Cr2O3 + 3Al + C)/(2Ti + Al + C) + + 30%(3CaO2 + 2Al). Синтез осуществлялся в реакторе объемом 3 л при давлении аргона 5 МПа. Структуру и фазовый состав продукта реакции исследовали методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии. В ходе работы установлено существенное влияние соотношения исходных реагентов на параметры синтеза и фазовый состав целевых продуктов. Показана возможность получения литого материала на основе легированной титаном фазы Cr2AlC. Выявлено, что полученный продукт является композиционным материалом на основе фазы (Cr1–хTiх)2AlC (х = 0,18÷0,28), содержание которой составляет 43–62 мас.% в зависимости от исходного соотношения реагентов. Микроструктура материала характеризуется наличием ламинатных слоев с включениями карбидных зерен. В конечном продукте присутствуют примесные карбидные (Ti0,9Cr0,1C, Cr7C3, Cr3С2) и интерметаллидные (Al8Cr5, AlTi3) соединения, что обусловлено недостаточным временем существования расплава, формирующегося в волне горения.

Two variants of the self-propagating high-temperature synthesis process, namely SHS from elements and SHS metallurgy, were combined to obtain cast materials based on the MAX phases of Cr2AlC and (Cr0,7Ti0,3)2AlC. Experiments involved mixtures with compositions calculated according to the chemical scheme 70%(Cr2O3 + 3Al + C)/(2Ti + Al + C) + + 30%(3CaO2 + 2Al). Synthesis was carried out in a 3 l reactor at an argon pressure of 5 MPa. The structure and phase composition of the reaction product were studied by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. It was found during the research that the ratio of original reagents has a significant effect on the synthesis parameters and phase composition of desired products. The possibility of obtaining a cast material based on the titanium-doped Cr2AlC phase was shown. It was found that the resulting product is a composite material based on the (Cr1–хTiх)2AlC (х = 0,18÷0,28) phase, and the content of this phase is 43–62 wt.% depending on the original ratio of reagents. The material microstructure features by the presence of laminate layers with carbide grain inclusions. The end product contains carbide (Ti0,9Cr0,1C, Cr7C3, Cr3С2)and intermetallic (Al8Cr5, AlTi3)  impurities due to the insufficient life time of a melt formed in the combustion wave.

СВС-металлургияMAX-фазасистема Cr–Ti–Al–Cмикроструктуракомпозиционный материалSHS metallurgyMAX phaseTi–Cr–Al–C systemmicrostructurecomposite materialReferencesBarsoum M.W. MAX phases. Properties of machinable ternary carbides and nitrides. 1-st ed. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013.Barsoum M.W. MAX phases. Properties of machinable ternary carbides and nitrides. 1-st ed. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013.Hettinger J. D., Lofland S. E., Finkel P., Meehan T., Palma J., Harrell K., Gupta S., Ganguly A., El-Raghy T., Barsoum M.W. Electrical transport, thermal transport, and elastic properties of M2AlC (M = Ti, Cr, Nb, and V). Phys. Rev. B. 2005. Vol. 72. P. 115—120.Hettinger J. D., Lofland S. E., Finkel P., Meehan T., Palma J., Harrell K., Gupta S., Ganguly A., El-Raghy T., Barsoum M.W. Electrical transport, thermal transport, and elastic properties of M2AlC (M = Ti, Cr, Nb, and V). Phys. Rev. B. 2005. Vol. 72. P. 115—120.Barsoum M.W., Radovic M. Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annu. Rev. Mater. Res. 2011. Vol. 41. P. 195—227.Barsoum M.W., Radovic M. Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annu. Rev. Mater. Res. 2011. Vol. 41. P. 195—227.Radovic M., Barsoum M.W. MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics. Amer. Ceram. Soc. Bull. 2013. Vol. 92. No. 3. P. 20—27.Radovic M., Barsoum M.W. MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics. Amer. Ceram. Soc. Bull. 2013. Vol. 92. No. 3. P. 20—27.Poon B., Ponson L., Zhao J., Ravichandran G. Damage accumulation and hysteretic behavior of MAX phase materials. J. Mech. Phys. Solids. 2011. Vol. 59. P. 2238—2257.Poon B., Ponson L., Zhao J., Ravichandran G. Damage accumulation and hysteretic behavior of MAX phase materials. J. Mech. Phys. Solids. 2011. Vol. 59. P. 2238—2257.Md. Atikur Rahman, Md. Zahidur Rahaman. Study on structural, electronic, optical and mechanical properties of MAX phase compounds and applications review article. Amer. J. Modern Phys. 2015. Vol. 4. No. 2. P. 75—91.Md. Atikur Rahman, Md. Zahidur Rahaman. Study on structural, electronic, optical and mechanical properties of MAX phase compounds and applications review article. Amer. J. Modern Phys. 2015. Vol. 4. No. 2. P. 75—91.Tian W.B., Wang P.L., Zhang G., Kan Y., Li Y., and Yan D. Synthesis and thermal and electrical properties of bulk Cr2AlC. Scripta Mater. 2006. Vol. 54. P. 841—846.Tian W.B., Wang P.L., Zhang G., Kan Y., Li Y., and Yan D. Synthesis and thermal and electrical properties of bulk Cr2AlC. Scripta Mater. 2006. Vol. 54. P. 841—846.Lin Z., Zhou Y., Li M. Synthesis, microstructure, and property of Cr2AlC. J. Mater. Sci. Technol. 2007. Vol. 23. No. 6. P. 721—746.Lin Z., Zhou Y., Li M. Synthesis, microstructure, and property of Cr2AlC. J. Mater. Sci. Technol. 2007. Vol. 23. No. 6. P. 721—746.Schneider J. M., Sun Z., Mertens R., Uestel F., Ahuja R. Ab-Initio calculations and experimental determination of the structure of Cr2AlC. Solid State Commun. 2004. Vol. 130. P. 445—449.Schneider J. M., Sun Z., Mertens R., Uestel F., Ahuja R. Ab-Initio calculations and experimental determination of the structure of Cr2AlC. Solid State Commun. 2004. Vol. 130. P. 445—449.Tian W., Vanmeensel K., Wang P., Zhang G., Li Y., Vleugels J., Biest O. Synthesis and characterization of Cr2AlC ceramics prepared by spark plasma sintering. Mater. Lett. 2007. Vol. 61. P. 4442—4445.Tian W., Vanmeensel K., Wang P., Zhang G., Li Y., Vleugels J., Biest O. Synthesis and characterization of Cr2AlC ceramics prepared by spark plasma sintering. Mater. Lett. 2007. Vol. 61. P. 4442—4445.Tian W., Sun Z., Du Y., Hashimoto H. Synthesis reactions of Cr2AlC from Cr—Al4C3—C by pulse discharge sintering. Mater. Lett. 2008. Vol. 62. P 3852—3855. DOI:10.1016/j.matlet.2008.05.001.Tian W., Sun Z., Du Y., Hashimoto H. Synthesis reactions of Cr2AlC from Cr—Al4C3—C by pulse discharge sintering. Mater. Lett. 2008. Vol. 62. P 3852—3855. DOI:10.1016/j.matlet.2008.05.001.Tian W., Wang P., Kana Y., Zhang G., Li Y., Yan D. Phase formation sequence of Cr2AlC ceramics starting from Cr—Al—C powders. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 443. . 229—234. DOI:10.1016/j.msea.2006.08.064.Tian W., Wang P., Kana Y., Zhang G., Li Y., Yan D. Phase formation sequence of Cr2AlC ceramics starting from Cr—Al—C powders. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 443. . 229—234. DOI:10.1016/j.msea.2006.08.064.Kim C., Hwang S., Ha J., Kang S., Cheong D. Synthesis of a Cr2AlC—Ti2AlC ternary carbide. J. Ceram. Process. Res. 2010. Vol. 11. No. 1. P. 82—85.Kim C., Hwang S., Ha J., Kang S., Cheong D. Synthesis of a Cr2AlC—Ti2AlC ternary carbide. J. Ceram. Process. Res. 2010. Vol. 11. No. 1. P. 82—85.Zhimou Liu, Liya Zheng, Luchao Sun, Yuhai Qian, Jingyang Wang, Meishuan Li. (Cr2/3Ti1/3)3AlC2 and (Cr5/8Ti3/8)4AlC3: New MAX-phase compoundsin Ti— Cr—Al—C system. J. Amer. Ceram. Soc. Vol. 97. No. 1. 2013. P. 1—3. DOI: 10.1111/jace.12731.Zhimou Liu, Liya Zheng, Luchao Sun, Yuhai Qian, Jingyang Wang, Meishuan Li. (Cr2/3Ti1/3)3AlC2 and (Cr5/8Ti3/8)4AlC3: New MAX-phase compoundsin Ti— Cr—Al—C system. J. Amer. Ceram. Soc. Vol. 97. No. 1. 2013. P. 1—3. DOI: 10.1111/jace.12731.Thien C. Duong, Anjana Talapatra, Woongrak Son, Miladin Radovic, Raymundo Arróyave. On the stochastic phase stability of Ti2AlC—Cr2AlC. Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 5138—5138. DOI: 10.1038/s41598-017-05463-1.Thien C. Duong, Anjana Talapatra, Woongrak Son, Miladin Radovic, Raymundo Arróyave. On the stochastic phase stability of Ti2AlC—Cr2AlC. Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 5138—5138. DOI: 10.1038/s41598-017-05463-1.Horlait D., Grasso S., Al Nasiri N., Burr P.A., Lee W.E. Synthesis and oxidation testing of MAX phase composites in the Cr—Ti—Al—C quaternary system. J. Amer. Ceram. Soc. 2016. Vol. 99. No. 2. P. 682—690. DOI: 10.1111/jace.13962.Horlait D., Grasso S., Al Nasiri N., Burr P.A., Lee W.E. Synthesis and oxidation testing of MAX phase composites in the Cr—Ti—Al—C quaternary system. J. Amer. Ceram. Soc. 2016. Vol. 99. No. 2. P. 682—690. DOI: 10.1111/jace.13962.Merzhanov A.G. SHS on the pathway to industrialization. Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth. 2001. Vol. 10. No. 2. P. 237.Merzhanov A.G. SHS on the pathway to industrialization. Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth. 2001. Vol. 10. No. 2. P. 237.Merzhanov A.G. The chemistry of self-propagating hightemperature synthesis. J. Mater. Chem. 2004. Vol. 12. P. 1779—1786.Merzhanov A.G. The chemistry of self-propagating hightemperature synthesis. J. Mater. Chem. 2004. Vol. 12. P. 1779—1786.Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky. D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2017. Vol. 62. No. 4. P. 203—239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky. D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2017. Vol. 62. No. 4. P. 203—239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.Łopacinski M., Puszynski J., Lis J. Synthesis of ternary titanium aluminum carbides using self-propagating high-temperature synthesis technique. J. Amer. Ceram. Soc. 2001. Vol. 84. No. 12. P. 3051—3053. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2001.tb01138.x.Łopacinski M., Puszynski J., Lis J. Synthesis of ternary titanium aluminum carbides using self-propagating high-temperature synthesis technique. J. Amer. Ceram. Soc. 2001. Vol. 84. No. 12. P. 3051—3053. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2001.tb01138.x.Chun-Cheng Zhu, Jia Zhu, Hua Wu, Hong Lin. Synthesis of Ti3AlC2 by SHS and thermodynamic calculation based on first principles. Rare Metals. 2015. Vol. 34. No. 2. P. 107—110. DOI: 10.1007/s12598-013-0174-2.Chun-Cheng Zhu, Jia Zhu, Hua Wu, Hong Lin. Synthesis of Ti3AlC2 by SHS and thermodynamic calculation based on first principles. Rare Metals. 2015. Vol. 34. No. 2. P. 107—110. DOI: 10.1007/s12598-013-0174-2.Konovalikhin S.V., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E., Vadchenko S.G., Shchukin A.S. Formation of nanolaminate structures in the Ti—Si—C system: A crystallochemical study. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2014. Vol. 23. No. 4. P. 217—221. DOI: 10.3103/S1061386214040049.Konovalikhin S.V., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E., Vadchenko S.G., Shchukin A.S. Formation of nanolaminate structures in the Ti—Si—C system: A crystallochemical study. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2014. Vol. 23. No. 4. P. 217—221. DOI: 10.3103/S1061386214040049.Горшков В.А., Милосердов П.А., Лугинина М.А., Сачкова Н.В., Беликова А.Ф. Высокотемпературный синтез литого материала с максимальным содержанием МАХ-фазы Cr2AlC. Неорган. материалы. 2017. Т. 53. No. 3. С. 260—266. DOI: 10.7868/S0002337X1703006X.Gorshkov V.A., Miloserdov P.A., Luginina M.A., Sachkova N.V., Belikova A.F. High-temperature synthesis of a cast material with a maximum content of the MAX phase Cr2AlC. Inorgan. Mater. 2017. Vol. 53. No. 3. P. 271—277. DOI: 10.1134/S0020168517030062.Горшков В.А., Милосердов П.А., Сачкова Н.В., Лугинина М.А., Юхвид В.И. СВС-металлургия литых материалов на основе MAX-фазы Cr2AlC. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 2. С. 47—54. DOI: 10.17073/1997-308X-2017-2-47-54.Gorshkov V.A., Miloserdov P.A., Sachkova N.V., Luginina M.A., Yukhvid V.I. SHS Metallurgy of Cr2AlC MAX phasebased cast materials. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2018. Vol. 59. No. 5. P. 570—575.Горшков В.А., Милосердов П.А., Карпов А.В., Щукин А.С., Сычев А.Е. Исследование состава и свойств материала на основе MAX-фазы Cr2AlC, полученного методом СВС-металлургии. Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. No. 5. С. 512—517. DOI: 10.1134/S0015323019050048.Gorshkov V.A., Miloserdov P.A., Karpov A.V., Shchukin A.S., Sytschev A.E. Investigation of the composition and properties of a Cr2AlC MAX phase-based material prepared by metallothermic SHS. Phys. Met. Metallogr. 2019. Vol. 120. No. 5. P. 471—475. DOI: 10.1134/S0031918X19050041.Горшков В.А., Милосердов П.А., Хоменко Н.Ю., Сачкова Н.В. Получение литых материалов на основе MAX-фазы Cr2AlC методом СВС-металлургии с использованием химически сопряженных реакций. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019. No. 4. С. 14—20. DOI: 10.17073/1997-308X-2019-4-14-20.Gorshkov V.A., Miloserdov P.A., Khomenko N.Y., Sachkova N.V. Production of cast materials based on Cr2AlC MAX phase by SHS metallurgy using coupled chemical reaction. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya (Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2019. No. 4. P. 14—20 (In Russ.).Crystallography open database. http://www.crystallography.net/cod.Crystallography open database. http://www.crystallography.net/cod.Barsoum M.W., El-Raghy T. Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: Ti3SiC2. J. Amer. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. P. 1953—1956. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1996.tb08018.x.Barsoum M.W., El-Raghy T. Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: Ti3SiC2. J. Amer. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. P. 1953—1956. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1996.tb08018.x.Lee D.B., Nguyen T.D. Cyclic oxidation of Cr2AlC between 1000 and 1300 °C in air. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 464. P. 434—439. DOI: 10.1016/j.jallcom.2007.10.018.Lee D.B., Nguyen T.D. Cyclic oxidation of Cr2AlC between 1000 and 1300 °C in air. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 464. P. 434—439. DOI: 10.1016/j.jallcom.2007.10.018.Ying G.B., He X., Du S., Zheng Y., Zhu C., Wu Y., Wang C., (Xiaodong He, Shanyi Du, Yongting Zheng, Chuncheng Zhu, Yuping Wu, Cheng Wang). Kinetics and numerical simulation of self-propagating high-temperature synthesisin Ti—Cr—Al—C systems. Rare Met. 2014. Vol. 33. No. 5. P. 527—533.Ying G.B., He X., Du S., Zheng Y., Zhu C., Wu Y., Wang C., (Xiaodong He, Shanyi Du, Yongting Zheng, Chuncheng Zhu, Yuping Wu, Cheng Wang). Kinetics and numerical simulation of self-propagating high-temperature synthesisin Ti—Cr—Al—C systems. Rare Met. 2014. Vol. 33. No. 5. P. 527—533.Schuster J. C., Nowotny H., Vaccaro C. The ternary systems: CrAlC, VAlC, and TiAlC and the behavior of H-phases (M2AlC). J. Solid State Chem. 1980. Vol. 32. No. 2. P. 213—219. DOI: 10.1016/0022-4596(80)90569-1.Schuster J. C., Nowotny H., Vaccaro C. The ternary systems: CrAlC, VAlC, and TiAlC and the behavior of H-phases (M2AlC). J. Solid State Chem. 1980. Vol. 32. No. 2. P. 213—219. DOI: 10.1016/0022-4596(80)90569-1.

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