Исследование химической стойкости в среде минеральных кислот эвтектического сплава TiB2–TiN, полученного в режиме горения

Представлены результаты исследования коррозионной стойкости порошка эвтектического сплава TiB2–TiN в среде минеральных кислот HCl и HNO3. Опыты проводились на синтезированных в режиме горения и впоследствии измельченных в агатовой ступке образцах. В полученных порошках были определены морфология частиц, их распределение по размерам и удельная поверхность. В экспериментах по изучению коррозионной стойкости варьировали концентрации кислот в интервале от 0,2 до 6,0 М и температуру процесса от 25 до 80 °С. Химический анализ исследуемых продуктов взаимодействия с агрессивной средой проводили на определение содержания основных элементов (титана, бора, азота) по методикам, разработанным для тугоплавких соединений. В результате было показано, что наибольшей стойкостью обладают образцы при взаимодействии с растворами разбавленных кислот при комнатной температуре, а при увеличении концентрации кислоты и/или температуры процесса их стойкость снижается. Было обнаружено, что во всех рассмотренных в работе случаях взаимодействие с кислотой происходит как с фазой TiB2, так и с TiN. При этом быстрее протекала реакция с участием фазы TiB2. Впервые при комнатной температуре и концентрации кислот 1,0 M определены глубинные показатели коррозии и оценена коррозионная устойчивость сплава в среде HCl и HNO3. На основании полученных данных исследуемый сплав был отнесен к группе «стойких» материалов. Коррозионная устойчивость по 10-балльной шкале в средах HCl и HNO3 составила 4 и 5 баллов соответственно.

1. Чупов В.Д., Орданьян С.С., Козловский Л.В. Исследование взаимодействия в системе TiNx—TiB2. Неорган. материалы. 1981. T. 17. No. 9. C. 1618—1622. Chupov V.D., Ordan'yan S.S., Kozlovskii L.V. Investigation of the interaction in the TiNx–TiB2 system. Neorgan. materialy. 1981. Vol. 17. No. 9. P. 1618—1622 (In Russ.).

2. Lee J.W., Munir Z.A., Shibuya M., Ohyanagi M. Synthesis of dense TiB2—TiN nanocrystalline composites through mechanical and field activation. J. Amer. Cer. Soc. 2001. Vol. 84. No. 6. P. 1209—1216. DOI: 10.1111/j.1151-2916. 2001.tb00818.x.

3. Shibuya M., Ohyanagi M., Munir Z.A. Simultaneous synthesis and densification of titanium nitride/titanium diboride composites by high nitrogen pressure combustion. J. Amer. Ceram. Soc. 2002. Vol. 12. P. 2965—2970. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00564.x.

4. Holleck, H., Schulz H. Preparation and behaviour of wear-resistant TiC/TiB2, TiN/TiB2 and TiC/TiN coatings with high amounts of phase boundaries. Surf. Coat. Technol. 1988. Vol. 36. No. 3-4. P. 707—714. DOI: 10.1016/0257-8972(88)90011-4.

5. Kitiwan M., Ito A., Goto T. Spark plasma sintering of TiN— TiB2 composites. J. Eur. Ceram. Soc. 2014. Vol. 34. No. 2. P. 197—203. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.08.034.

6. Gissler W. Structure and properties of Ti—B—N coatings. Surf. Coat. Technol. 1994. Vol. 68-69. P. 556—563. DOI:10.1016/0257-8972(94)90217-8.

7. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Мater. Rev. 2017. Vol. 62. No. 4. P. 203—239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.

8. Mukasyan A.S., Shuck C.E. Kinetics of SHS reactions: A review. Int. J. SHS. 2017. No. 26. P. 145—165. DOI: 10.3103/S1061386217030049.

9. Тарасов А.Г., Студеникин И.А., Карозина Ю.А. Последовательность превращений при горении порошковых смесей титана с бором в среде азота. Хим. физика и мезоскопия. 2017. Т. 19. No. 4. C. 507—512. Tarasov A.G., Studenikin I.A., Karozina Yu.A. Sequence of transformation during combustion of powder mixtures of titanium and boron in nitrogen. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya. 2017. Vol. 19. No. 4. P. 507—512 (In Russ.).

10. Григорян А.Э., Рогачев А.С. Горение титана с неметаллическими нитридами. Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37. No. 2. C. 51—56. Grigoryan A.E., Rogachev A.S. Combustion of titanium with nonmetal nitrides. Combustion, explosion, and shock waves. 2001. Vol. 37. No. 2. P.202—206.

11. Yeh C.L., Teng G.S. Combustion synthesis of TiN—TiB2 composites in Ti/BN/N2 and Ti/BN/B reaction systems. J. Alloys and Compd. 2006. Vol. 424. P. 152—158. DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.12.086.

12. Tomoshige R., Murayama A., Matsushita T. Production of TiB2—TiN composites by combustion synthesis and their properties. J. Amer. Ceram. Soc. 1997. Vol. 80. No. 3. P. 761— 764. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1997.tb02894.x.

13. Рогачев А.С, Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2014. Rogachev A.S, Mukas’yan A.S. Combustion for material synthesis. 1-st ed. N. Y.: CRC Press Taylor & Francis Group, 2014.

14. Tarasov A.G., Studenikin I.A., Barinov Yu.N. Combustion of Ti—B mixtures in Аr coflow: Influence of hydrogen impurity in titanium. Int. J. SHS. 2017. Vol. 26. No. 2. P. 140—141. DOI: 10.3103/S1061386217020121.

15. Borovinskaya I.P. Chemical classes of the SHS processes and materials. Pure Appl. Chem. 1992. Vol. 64. No. 7. Р. 919—940.

16. Игнатьева Т.И., Милосердова О.М., Семенова В.Н., Боровинская И.П. Химическое диспергирование как метод выделения ультрадисперсных и наноразмерных порошков TiC. Перспект. матер. 2009. No. 3. C. 82—87. Ignat’eva T.I., Miloserdova O.M., Semenova V.N., Borovinskaya I.P. Chemical dispersion, as a method of separation of ultradisperse and nanosized TiC. Perspekt. materialy. 2009. No. 3. P. 82—87 (In Russ.).

17. Боровинская И.П., Игнатьева Т.И., Емельянова О.М., Вершинников В.И., Семенова В.Н. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез ультра- и нанодисперсного порошка ТiС. Неорган. материалы. 2007. Т. 43. No. 11. C. 1343—1350. Borovinskaya I.P., Ignat’eva T.I., Emel’yanova O.M., Vershinnikov V.I., Semenova V.N. Self-propagating hightemperature synthesis of ultrafine and nanometer-sized TiC particles. Inorganic Mater. 2007. Vol. 43. No. 11. Р. 1206— 1214. DOI: 10.1134/S002016850711009X.

18. Коробов И.И., Калинников Г.В., Иванов А.В., Дремова Н.Н., Андриевский Р.А., Шилкин С.П. Коррозионная стойкость наноструктурных пленок диборида титана в растворах минеральных кислот. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. No. 4. C. 382—385. DOI: 10.7868/S0044185616040173. Korobov I.I., Kalinnikov G.V., Ivanov A.V., Dremova N.N., Andrievski R.A., Shilkin S.P. Corrosion resistance of nanostructured films of titanium diboride in mineral acid solutions. Protect. Met. Phys. Chem. Surf. 2016. Vol. 52. No. 4. P. 618—621. DOI: 10.1134/S2070205116040171.

19. Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. К.: Наук. думка, 1978. Samsonov G.V., Kulik O.P., Polishchuk V.S. Obtaining and methods for the analysis of nitrides. Kiev: Naukova Dumka, 1978 (In Russ.).

20. Косолапова Т.Я. (ред.). Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: Спр. изд. М.: Металлургия, 1986. Kosolapova T.Ya. (ed.). Properties, production and application of refractory compounds: Ref. ed. Moscow: Metallurgiya, 1986 (In Russ.).

21. Пахомов В.С. Коррозия металлов и сплавов: Справочник. М.: Наука и технологии, 2013. Pakhomov V.S. Corrosion of metals and alloys: A reference book. Moscow: Nauka i tekhnologii, 2013 (In Russ.).

22. Никольский Б.П. (ред.) Справочник химика. Основные свойства неорганических и органических соединений. Изд. 2-е. Л.: Химия, 1964. Nikolsky B.P. (Ed.) Handbook of the chemist. Main properties of inorganic and organic compounds. Leningrad: Khimiya, 1964 (In Russ.).

23. Жиляев В.А. Взаимосвязь состава, структуры и химических свойств тугоплавких фаз внедрения. Ч.II. Природа химической и электрохимической активности тугоплавких фаз внедрения в минеральных кислотах. Вестник ПНИПУ. Машиностроение. Материаловедение. 2012. Т. 14. No. 4. С. 61—72. Zhilyaev V.A. Interrelation of composition, structure and chemical properties of refractory implantation phases. Part II. The nature of the chemical and electrochemical activity of refractory interstitial phases in mineral acids. Vestnik PNIPU. Mashinostroenie. Materialovedenie. 2012. Vol. 14. No. 4. P. 61—72 (In Russ.).