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-2022-4-25-33powder-743Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsСинтез MAX-фазы Ti2AlN реакционным спеканием в вакуумеMAX phase Ti2AlN synthesis by reactive sintering in vacuumЛиндеА. В.LindeA. V.

 канд. хим. наук, ст. науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»

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

 Cand. Sci. (Chem.), senior researcher of the Laboratory of macrokinetics of SHS-processes in chambers

142432,  Moscow Region, Noginsk district, Academician Osip’yan str., 8 

alex-linde@mail.ruКондаковА. А.KondakovA. A.

 науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах» 

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

 researcher of the Laboratory of macrokinetics of SHS-processes in chambers  

142432,  Moscow Region, Noginsk district, Academician Osip’yan str., 8 

kondakov_aleks@list.ruСтуденикинИ. А.StudenikinI. A.

 науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»

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

 researcher of the Laboratory of macrokinetics of SHS-processes in chambers  

142432,  Moscow Region, Noginsk district, Academician Osip’yan str., 8 

stivan@bk.ruКондаковаН. А.KondakovaN. A.

 мл. науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»

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

 junior researcher of the Laboratory of macrokinetics of SHS-processes in chambers 

142432,  Moscow Region, Noginsk district, Academician Osip’yan str., 8 

natik1985@bk.ruГрачевВ. В.GrachevV. V.

 канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр., зав. науч.-иссл. лабораторией «Макрокинетики процессов СВС в реакторах» 

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

 Cand. Sci. (Phys.-Math.), leading researcher, head of the Laboratory of macrokinetics of SHS-processes in chambers 

142432,  Moscow Region, Noginsk district, Academician Osip’yan str., 8 

grachev@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 Federation202208122022042533Copyright © НИТУ "МИСИС", 20222022НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/743

Проведены исследования процесса синтеза MAX-фазы Ti2AlN спеканием в вакууме различных смесей порошков в зависимости от фазового состава исходных реагентов и режимов их термической обработки в вакуумной электропечи. На примере смеси порошков титана и нитрида алюминия в мольном соотношении Ti : AlN = 2 : 1 (состав 1) прослежена последовательность изменения фазового состава смеси при увеличении температуры изотермической выдержки длительностью 60 мин при t = 1100÷1500 °С с шагом 100 °С и определено значение температуры 1400 °С, при которой в продуктах спекания достигается максимальное значение содержания MAX-фазы Ti2AlN – 94 мас.%. При этой температуре изотермической выдержки для исходной смеси TiAl : TiN = 1 : 1 (состав 2) содержание MAX-фазы составило 93 мас.%. Наилучший результат по синтезу MAX-фазы (100 мас.% Ti2AlN) был получен для смеси Ti : Al : TiN = 1 : 1 : 1 (состав 3). На примере смеси данного состава массой 500 г при определенном режиме термовакуумной обработки экспериментально показана принципиальная возможность масштабирования процесса получения однофазного продукта состава Ti2AlN спеканием в вакууме. Эксперименты проводились с двумя типами образцов: с закрытой и открытой боковой поверхностью. К образцам с закрытой боковой поверхностью относились образцы в кварцевых трубках, заполненных исходной смесью порошков с насыпной плотностью, и образец массой 500 г, помещенный в молибденовый тигель с крышкой. Образцы с открытой боковой поверхностью – это цилиндрические таблетки, спрессованные из исходной порошковой смеси. Было показано, что закрытие боковой поверхности образца из смеси Ti : Al : TiN (состав 3) блокирует выход паров алюминия из порового пространства образца при нагреве, благодаря чему образуется только Ti2AlN.

The synthesis of MAX phase Ti2AlN from several mixtures of Ti, Al, TiN, and AlN powders by vacuum sintering of greensamples in the form of dense compacts, bulk powder in silica tubes, and plain layer in a closed rectangular molybdenum boat was studied upon variation in charge composition and sintering temperature Ts. The sintering of 2 : 1 Ti–AlN mixture was carried out at 1100, 1200, 1300, 1400, and 1500 °С with exposure time of 60 min. The largest MAX phase content (94 wt.%) was reached at Ts = 1400 °С. The sintering of 1 : 1 TiAl : TiN composition at the same temperature gave 93 wt.% Ti2AlN. The best result (singlephase Ti2AlN in a 100-% yield) was achieved upon the sintering of 1 : 1 : 1 Ti–Al–TiN composition at Ts = 1400 °С. The scalability of our process was checked by the fabrication of a large (0.5 kg) and uniform cake of single-phase Ti2AlN. In experiments we used green samples with shielded lateral surface (bulk powder in silica tubes, plain layer in a closed molybdenum boat) and without shield (dense compacts). It has been shown that shielding of Ti–Al–TiN samples restricts the escape of Al vapor from a sintered mixture, thus providing more favorable conditions for the synthesis of single-phase Ti2AlN. Our process can be readily recommended for practical implementation.

MAX-фазаспеканиефазовые превращениярентгенофазовый анализMAX phasesinteringphase transitionsX-ray diffractionReferencesBarsoum M., Brodkin D., El-Raghy T. Layered machinable ceramics for high temperature applications. Scri. Mater. 1997. Vol. 36. No. 5. P. 535—541. DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00418-6.Barsoum M., Brodkin D., El-Raghy T. Layered machinable ceramics for high temperature applications. Scri. Mater. 1997. Vol. 36. No. 5. P. 535—541. DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00418-6.Barsoum M. MAX phases: Properties of machinable ternary carbides and nitrides. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, 2013. DOI: 10.1002/9783527654581.Barsoum M. MAX phases: Properties of machinable ternary carbides and nitrides. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, 2013. DOI: 10.1002/9783527654581.Barsoum M.W., Radovic M. Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annu. Rev. Mater. Res. 2011. Vol. 41. P. 195—227. DOI: 10.1146/annurev-matsci-062910-100448.Barsoum M.W., Radovic M. Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annu. Rev. Mater. Res. 2011. Vol. 41. P. 195—227. DOI: 10.1146/annurev-matsci-062910-100448.Sokol M., Natu V., Kota S., Barsoum M. On the chemical diversity of the MAX phases. Trends Chem. 2019. Vol. 1. P. 210—223. DOI: 10.1016/j.trechm.2019.02.016.Sokol M., Natu V., Kota S., Barsoum M. On the chemical diversity of the MAX phases. Trends Chem. 2019. Vol. 1. P. 210—223. DOI: 10.1016/j.trechm.2019.02.016.Barsoum M., Ali M., El-Raghy T. Processing and characterization of Ti2AlC, Ti2AlN, and Ti2AlC0.5N0.5. Metall. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31. No. 7. P. 1857—1865. DOI:10.1007/s11661-006-0243-3.Barsoum M., Ali M., El-Raghy T. Processing and characterization of Ti2AlC, Ti2AlN, and Ti2AlC0.5N0.5. Metall. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31. No. 7. P. 1857—1865. DOI:10.1007/s11661-006-0243-3.Zhou Y., Sun Z. Electronic structure and bonding properties of layered machinable Ti2AlC and Ti2AlN ceramics. Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. No. 12. P. 12570. DOI:10.1103/PhysRevB.61.12570.Zhou Y., Sun Z. Electronic structure and bonding properties of layered machinable Ti2AlC and Ti2AlN ceramics. Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. No. 12. P. 12570. DOI:10.1103/PhysRevB.61.12570.Wang Z., Liu J., Wang L., Li X., Ke P., Wang A. Dense and high-stability Ti2AlN MAX phase coatings prepared by the combined cathodic arc/sputter technique. Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 396. P. 1435—1442. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.183.Wang Z., Liu J., Wang L., Li X., Ke P., Wang A. Dense and high-stability Ti2AlN MAX phase coatings prepared by the combined cathodic arc/sputter technique. Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 396. P. 1435—1442. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.183.Jeitschko W., Nowotny H., Benesovsky F. Ti2AlN, eine stickstoffhaltige H-Phase. Monatsh. Chem. 1963. Vol. 94.No. 6. P. 1198—2000.Jeitschko W., Nowotny H., Benesovsky F. Ti2AlN, eine stickstoffhaltige H-Phase. Monatsh. Chem. 1963. Vol. 94.No. 6. P. 1198—2000.Luginina M.A., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E. Preparation of Ti2AlN by reactive sintering. Int. J. SHS. 2016. Vol. 25. No. 1. P. 35—38. DOI: 10.3103/S1061386216010088/Luginina M.A., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E. Preparation of Ti2AlN by reactive sintering. Int. J. SHS. 2016. Vol. 25. No. 1. P. 35—38. DOI: 10.3103/S1061386216010088/Kovalev D.Yu., Luginina M.A., Sytschev A.E. Reaction synthesis of the Ti2AlN MAX-phase. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No. 3. P. 303—307. DOI: 10.3103/S1067821217030087.Kovalev D.Yu., Luginina M.A., Sytschev A.E. Reaction synthesis of the Ti2AlN MAX-phase. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No. 3. P. 303—307. DOI: 10.3103/S1067821217030087.Lin Z., Zhuo M., Li M., Wang J., Zhou Y. Synthesis and microstructure of layered-ternary Ti2AlN ceramic. Scr. Mater. 2007. Vol. 56. No. 12. P. 1115—1118. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.01.049.Lin Z., Zhuo M., Li M., Wang J., Zhou Y. Synthesis and microstructure of layered-ternary Ti2AlN ceramic. Scr. Mater. 2007. Vol. 56. No. 12. P. 1115—1118. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.01.049.Liu Y., Shi Z., Wang J., Qiao G., Jin Z., Shen Z. Reactive consolidation of layered-ternary Ti2AlN ceramics by spark plasma sintering of a Ti/AlN powder mixture. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. No. 5. P. 863—868. DOI: 10.3103/S1061386216010088.Liu Y., Shi Z., Wang J., Qiao G., Jin Z., Shen Z. Reactive consolidation of layered-ternary Ti2AlN ceramics by spark plasma sintering of a Ti/AlN powder mixture. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. No. 5. P. 863—868. DOI: 10.3103/S1061386216010088.Yan M., Mei B., Zhu .J, Tian C., Wang P. Synthesis of high-purity bulk Ti2AlN by spark plasma sintering (SPS). Ceram. Int. 2008. Vol. 34. No. 6. P. 1439—1442. DOI:10.1016/j.ceramint.2007.04.009.Yan M., Mei B., Zhu .J, Tian C., Wang P. Synthesis of high-purity bulk Ti2AlN by spark plasma sintering (SPS). Ceram. Int. 2008. Vol. 34. No. 6. P. 1439—1442. DOI:10.1016/j.ceramint.2007.04.009.Liu W., Qiu C., Zhou J., Ding Z., Zhou X., Du S., Han Y.-H., Huang Q. Fabrication of Ti2AlN ceramics with orientation growth behavior by the microwave sintering method. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P.1385—1391. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.020.Liu W., Qiu C., Zhou J., Ding Z., Zhou X., Du S., Han Y.-H., Huang Q. Fabrication of Ti2AlN ceramics with orientation growth behavior by the microwave sintering method. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P.1385—1391. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.020.Liu Y., Li Y., Li F., Cui H., Zhang L., Guo S. Synthesis and microstructure of Ti2AlN ceramic by thermal explosion. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. No. 16. P. 13618—13621.Liu Y., Li Y., Li F., Cui H., Zhang L., Guo S. Synthesis and microstructure of Ti2AlN ceramic by thermal explosion. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. No. 16. P. 13618—13621.Chen W., Tang J., Lin X., Ai Y., Ye N. Formation mechanism of high-purity Ti2AlN powders under microwave sintering. Materials. 2020. Vol. 13. No. 23. P. 5356. DOI:10.3390/ma13235356.Chen W., Tang J., Lin X., Ai Y., Ye N. Formation mechanism of high-purity Ti2AlN powders under microwave sintering. Materials. 2020. Vol. 13. No. 23. P. 5356. DOI:10.3390/ma13235356.Christopher S., Ernesto Ch., Cristina G.-G., Rosalía P., José A.J. Mangalaraja R.V. Study of the influence of sintering atmosphere and mechanical activation on the synthesis of bulk Ti2AlN MAX phase obtained by spark plasma sintering. Materials. 2021. Vol. 14. No. 16. P. 4574. DOI:10.3390/ma14164574.Christopher S., Ernesto Ch., Cristina G.-G., Rosalía P., José A.J. Mangalaraja R.V. Study of the influence of sintering atmosphere and mechanical activation on the synthesis of bulk Ti2AlN MAX phase obtained by spark plasma sintering. Materials. 2021. Vol. 14. No. 16. P. 4574. DOI:10.3390/ma14164574.Akhtar S., Roy Sh., Thu Tran T., Singh J., Anir S. Sharbirin, Kim J. Low temperature step annealing synthesis of the Ti2AlN MAX phase to fabricate MXene quantum dots. Appl. Sci. 2022. Vol. 12. No. 9. P. 4154. DOI: 10.3390/app12094154.Akhtar S., Roy Sh., Thu Tran T., Singh J., Anir S. Sharbirin, Kim J. Low temperature step annealing synthesis of the Ti2AlN MAX phase to fabricate MXene quantum dots. Appl. Sci. 2022. Vol. 12. No. 9. P. 4154. DOI: 10.3390/app12094154.Li X., Gonzalez-Julian J., Malzbender J. Fabrication and mechanical performance of Ti2AlN prepared by FAST/SPS. J. Eur. Ceram. Soc. 2020. Vol. 40. P. 4445—4453. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.017.Li X., Gonzalez-Julian J., Malzbender J. Fabrication and mechanical performance of Ti2AlN prepared by FAST/SPS. J. Eur. Ceram. Soc. 2020. Vol. 40. P. 4445—4453. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.017.Kondakov A.A., Studenikin I.A., Linde A.V., Kondakova N.A., Grachev V.V. Synthesis of Ti2AlN MAX-phase by sintering in vacuum. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 558. P. 012017. DOI: 10.1088/1757-899X/558/1/012017.Kondakov A.A., Studenikin I.A., Linde A.V., Kondakova N.A., Grachev V.V. Synthesis of Ti2AlN MAX-phase by sintering in vacuum. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 558. P. 012017. DOI: 10.1088/1757-899X/558/1/012017.Закоржевский В.В., Боровинская И.П., Сачкова Н.В. Синтез нитрида алюминия в режиме горения смеси Al + AlN. Неорган. материалы. 2002. Т. 38. No. 11. С. 1340—1350.Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P., Sachkova N.V. Combustion synthesis of aluminum nitride. Inorg. Mater. 2002. Vol. 38. No. 11. P. 1131—1140. DOI: 10.1023/A:1020966500032.Zakorzhevskii V.V., Kovalev I.D., Barinov Y.N. Self-propagating high-temperature synthesis of titanium nitride with the participation of ammonium chloride. Inorg. Mater. 2017. Vol. 53. P. 278—286. DOI: 10.1134/S002016851703013X.Zakorzhevskii V.V., Kovalev I.D., Barinov Y.N. Self-propagating high-temperature synthesis of titanium nitride with the participation of ammonium chloride. Inorg. Mater. 2017. Vol. 53. P. 278—286. DOI: 10.1134/S002016851703013X.Low I.M., Pang W.K., Kennedy S.J., Smith R.I. High-temperature thermal stability of Ti2AlN and Ti4AlN3: A comparative diffraction study. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. P. 159—166.Low I.M., Pang W.K., Kennedy S.J., Smith R.I. High-temperature thermal stability of Ti2AlN and Ti4AlN3: A comparative diffraction study. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. P. 159—166.Yang J., Liao C., Wang J., Jiang Y., He Y. Reactive synthesis for porous Ti3AlC2 ceramics through TiH2, Al and graphite powders. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. P. 6739—6745. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.11.136.Yang J., Liao C., Wang J., Jiang Y., He Y. Reactive synthesis for porous Ti3AlC2 ceramics through TiH2, Al and graphite powders. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. P. 6739—6745. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.11.136.Zhou Z., Chen X., Yuan Y., Shi L., Jiang W., Yang B., Xu B., Liu D. A comparison of the thermal decomposition mechanism of wurtzite AlN and zinc blende AlN. J.Mater. Sci. 2018. Vol. 53. P. 11216—11227. DOI: 10.1007/s10853-018-2400-7.Zhou Z., Chen X., Yuan Y., Shi L., Jiang W., Yang B., Xu B., Liu D. A comparison of the thermal decomposition mechanism of wurtzite AlN and zinc blende AlN. J.Mater. Sci. 2018. Vol. 53. P. 11216—11227. DOI: 10.1007/s10853-018-2400-7.

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