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-2021-4-12-19powder-629Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)СВС-компактирование керметов на основе TiC с использованием механически активированных смесейSHS compaction of TiC cermets using mechanically activated mixturesБогатовЮ. В.BogatovYu. V.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. лаборатории энергетического стимулирования физико-химических процессов

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

Cand. Sci. (Eng.), senior 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

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 Federation202109122021041219Copyright © 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/629

Настоящая работа относится к области получения металлокерамических композиционных материалов методом СВС-компактирования. Изучено влияние механической активации (МА) металлических компонентов, содержащихся в реакционных смесях на основе системы Ti + C + Cr + Ni, при обработке размольными телами в шаровой мельнице на структуру и свойства получаемых композитов. Были использованы два способа МА металлических порошков Ti, Cr и Ni. В первом случае порошки Сr и Ni активировали размольными телами отдельно от остальных компонентов реакционных смесей, а затем смешивали с порошками титана и сажи. Показано, что предварительная МА инертных компонентов снижает температуру и скорость горения, приводя к росту среднего размера карбидных зерен. Второй способ МА заключался в совместной обработке в шаровой мельнице порошковых смесей Ti + Cr, Ti + Ni и Ti + Cr + Ni, которые затем смешивали с сажей. В этом случае обеспечивалась механическая активация частиц титана при минимальном воздействии размольных тел на порошки Сr и Ni. Это обуславливало увеличение скорости и температуры горения, уменьшение среднего размера карбидных зерен и повышение однородности структуры композитов. Предложен механизм взаимодействия реагентов (Ti + C) с участием активированных частиц Сr и Ni в зонах горения и структурообразования, согласно которому МА инертных компонентов приводит к их непосредственному участию в реакционном взаимодействии титана с углеродом, что определяет снижение скорости и температуры горения и влияет на дисперсность и однородность структуры компактных композитов. Полученные результаты были использованы для повышения однородности и измельчения структуры композита СТИМ-3Б (синтетического твердого инструментального материала марки 3Б).

This paper focuses on obtaining cermet composite materials by SHS compaction. The study covers the effect of mechanical activation of metal components contained in reaction mixtures based on the Ti + C + Cr + Ni system when treated with grinding media in a ball mill. Two mechanical activation methods were used for Ti, Cr and Ni metal powders. In the first method, Cr and Ni powders were activated with grinding media separately from other reaction mixture components, and then mixed with titanium and carbon black powders. It is shown that the preliminary mechanical activation of inert components reduces the temperature and rate of combustion and increases the average size of carbide grains. In the second method, Ti + + Cr, Ti + Ni, and Ti + Cr + Ni powder mixtures were jointly processed in a ball mill, and then mixed with carbon black. This method provided mechanical activation of titanium particles with a minimum effect of grinding media on Cr and Ni powders. This led to an increase in the combustion rate and temperature, a decrease in the average size of carbide grains, and an increase in the composite structure homogeneity. A mechanism is proposed for the interaction of reagents (Ti + C) with the participation of activated Cr and Ni particles in combustion and structure formation zones, according to which the mechanical activation of inert components leads to their direct participation in the reaction interaction of titanium with carbon, which determines a decrease in the combustion rate and temperature and affects the fineness and structural homogeneity of compact composites. The results obtained were used to increase the structural homogeneity and fineness of the STIM-3B composite (Grade 3B synthetic hard tool material).

СВС-компактированиеСВС-композитыTiC–Cr–Niмеханическая активацияскорость и температура горениядисперсность и однородность микроструктурыSHS compactionSHS compositesTiC–Cr–Nimechanical activationcombustion rate and temperaturemicrostructure fineness and homogeneityReferencesMerzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Historical retrospective of SHS: An autoreview. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. P. 242—265.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Historical retrospective of SHS: An autoreview. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. P. 242—265.Питюлин А.Н. Силовое компактирование в СВСпроцессах. 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.).Федотов А.Ф. Закономерности уплотнения и формообразования при CВC-прессовании с сыпучей оболочкой. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008. No. 1. С. 16—23.Fedotov A.F. Regularities of compaction and shaping during SHS pressing with a free-flowing shell. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2008. No. 1. P. 16—23 (In Russ.).Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Учеб. пос. М.: МИСиС, 2011. С. 218—308.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: MISIS, 2011. Р. 218—308 (In Russ.).Zhang W.N., Wang H.Y., Wang P.J., Zhang J., He L., Jiang Q.C. Effect of Cr content on the SHS reaction of Cr— Ti—C system. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 465. No. 1—2. P. 127—131. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.10.092.Zhang W.N., Wang H.Y., Wang P.J., Zhang J., He L., Jiang Q.C. Effect of Cr content on the SHS reaction of Cr— Ti—C system. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 465. No. 1—2. P. 127—131. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.10.092.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. 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.Болдырев В.В. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий. Под ред. Е.Г. Аввакумова. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2009. Вып. 19. С. 10—28.Boldyrev V.V. Fundamental principles of mechanical activation, mechanosynthesis and mechanochemical technologies. Ed. E.G. Avvakumov. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN. 2009. Iss. 19. P. 10—28 (In Russ.).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 (Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy). 2000. No. 6. P. 61—67 (In Russ.).Korchagin M.A., Grigorieva T.F., Barinova A.P., Lyakhov N.Z. The effect of mechanical treatment on the rate and limits of combustion in SHS processes. Int. J. SHS. 2000. Vol. 9. No. 3. P. 307—320.Korchagin M.A., Grigorieva T.F., Barinova A.P., Lyakhov N.Z. The effect of mechanical treatment on the rate and limits of combustion in SHS processes. Int. J. SHS. 2000. Vol. 9. No. 3. P. 307—320.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 композита 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 (Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2009. No. 3. P. 31—35 (In Russ.).Khachatur V. Manukyan, Ya-Cheng Lin, Sergei Rouvimov, Paul J. McGinn, Alexander S. Mukasyan. Microstructure-reactivity relationship of Ti + C reactive nanomaterials. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. Art. 024302. https://doi.org/10.1063/1.4773475.Khachatur V. Manukyan, Ya-Cheng Lin, Sergei Rouvimov, Paul J. McGinn, Alexander S. Mukasyan. Microstructure-reactivity relationship of Ti + C reactive nanomaterials. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. Art. 024302. https://doi.org/10.1063/1.4773475.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.Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A. Forced SHS compaction of Ti—B blends: Influence of mixing conditions and sam-ple 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 sam-ple mass. Int. J. SHS. 2020. Vol. 29. No. 2. P. 100—103. DOI: 10.3103/S106138622002003X.Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A. TiC—20%Cr(Ni) composites by forced SHS compaction: Influence of mechanical activation mode. Int. J. SHS. 2021. Vol. 30. No. 1. P. 58—59. DOI: 10.3103/S1061386221010039.Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A. TiC—20%Cr(Ni) composites by forced SHS compaction: Influence of mechanical activation mode. Int. J. SHS. 2021. Vol. 30. No. 1. P. 58—59. DOI: 10.3103/S1061386221010039.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: 10.30791/1028-978X-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. 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. В сб.: Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1974. Вып. 15. С. 37—45.Dymchenko N.P., Shishlyannikova L.M., Yaroslavtseva H.H. The use of computers in calculating the fine crystalline structure of polycrystals by the second and fourth moments method. In: Equipment and methods of X-ray analysis. Leningrad: Mashinostroenie, 1974. Iss. 15. P. 37—45 (In Russ.).Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977.Chernyavskii K.S. Stereology in metal science. Moscow: Metallurgiya, 1977 (In Russ.).Шкиро В.М., Боровинская И.П. Капиллярное растекание жидкого металла при горении смесей титана с углеродом. Физика горения и взрыва. 1976. Т. 12. No. 6. С. 945—949.Shkiro V.M., Borovinskaya I.P. Capillary spreading of liquid metal during combustion of titanium-carbon mixtures. Fizika goreniya i vzryva. 1976. Vol. 12. No. 6. P. 945—949 (In Russ.).Рогачев А.С., Мержанов А.Г. К теории эстафетного механизма распространения волны горения в гетерогенных средах. Докл. РАН. 1999. Т. 365. No. 6. С. 788—791.Rogachev A.S., Merzhanov A.G. On the theory of the relay-race mechanism of combustion wave propagation in heterogeneous media. Doklady RAN. 1999. Vol. 365. No. 6. P. 788—791 (In Russ.).Сеплярский Б.С., Вадченко С.Г. Роль конвективного теплопереноса в процессах «безгазового» горения (на примере горения системы Ti + C). Докл. РАН. 2004. Т. 398. No. 1. С. 72—76.Seplyarsky B.S., Vadchenko S.G. The role of convective heat transfer in the processes in gasless combustion by the example of combustion of the Ti—C system. Doklady Physical Chemistry. 2004. Vol. 398. Pt. 1. P. 203— 207. https://doi.org/10.1023/B:DOPC.0000041487.87644.26.Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for material synthesis. CRC Press, 2012.Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for material synthesis. CRC Press, 2012.

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