Получение твердосплавного материала методом СВС-прессования в открытой матрице

Исследовалась возможность проведения СВС для  состава (мас.%) 81,5Ti + 18,5B на воздухе с последующим прессованием продуктов горения в открытой стальной матрице, стенки которой ограничивают их радиальное течение, в условиях жесткого теплоотвода без использования промежуточной сыпучей среды теплоизолятора. Проведена оптимизация режимов  подготовки реакционных порошковых смесей  к синтезу. Для исходных порошков и реакционных смесей определены такие технологические характеристики, как  насыпная плотность, уплотняемость, упругое последействие,  оценивалась прочность прессовок. Показано, что в условиях интенсивного газоотделения при горении существует взаимосвязь между прочностью шихтовых  прессовок, скоростью горения и изменением их объема после сгорания на воздухе. Установлена оптимальная плотность шихтовых  прессовок, равная 0,75, соответствующая максимальной скорости горения без выбросов  шихты при минимальном изменении объема. В результате проведенной оптимизации показана возможность эффективного и безопасного проведения процесса синтеза без использования промежуточной сыпучей среды теплоизолятора. В условиях СВС-компактирования в открытой стальной матрице получены твердосплавные пластины диаметром 60 мм и толщиной 11 мм.  Структура полученного твердого сплава является уникальной с пористостью менее 0,5  % и состоит из диборида титана (~ 60 мас.%) и связующей фазы на основе титана (~ 40 мас. %). Такую структуру, полученную вследствие ускоренного охлаждения, можно определить как неравновесную, поскольку в соответствии с диаграммой состояния Ti–B основной фазой для исследуемого состава должен быть моноборид титана (TiB). Микротвердость изготовленного твердого сплава составляет HV = 18000 МПа.

1. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Двадцать лет поисков и находок. Черноголовка: ИСМАН РАН, 1989.

2. Питюлин А.Н. Силовое компактирование в СВС процессах. В кн.: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика. Черноголовка: Территория, 2001. С. 333—353.

3. Епишин К.Л., Питюлин А.Н., Мержанов А.Г. Уплотнение материалов, образующихся при СВС. Порошк. металлургия. 1992. No. 6. С. 14-19.

4. Столин А.М., Бажин П.М., Константинов А.С., Алымов М.И. Получение крупногабаритных компактных плит из керамических порошковых материалов методом свободного СВС-сжатия. Докл. Академии наук. 2018. Т. 480. No. 6. С. 681—683.

5. Bazhin P.M., Stolin A.M., Konstantinov A.S., Kostitsyna E.V., Ignatov A.S. Ceramic Ti—B composites synthesized by combustion followed by high-temperature deformation. Materials. 2016. Vol. 9. Iss. 12. No. 1027. DOI: 10.3390/ ma9121027.

6. Konstantinov A.S., Bazhin P.M., Stolin A.M., Kostitsyna E.V., Ignatov A.S. Ti—B—based composite materials: Properties, basic fabrication methods, and fields of application (review). Composites. Part A: Appl. Sci. Manufact. 2018. Vol. 108. P. 79—88.

7. Федотов А.Ф. Закономерности уплотнения и формообразования при СВС-прессовании с сыпучей оболочкой. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2008. No. 1. P. 16—23.

8. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1991.

9. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии волокна. М.: Металлургия, 1972.

10. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов: Введение в структурную макрокинетику. М.: Физматлит, 2012.

11. Кочетов Н.А., Рогачев А.С., Емельянов А.Н., Илларионова Е.В., Шкиро В.М. Микроструктура гетерогенных смесей для безгазового горения. Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. No. 5. С. 74—80.

12. Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Мержанов А.Г. О влиянии капиллярного растекания на процесс горения безгазовых систем. Физика горения и взрыва. 1981. No. 6. С. 10—15.

13. Вадченко С.Г., Мухина Н.И., Щукин А.С. Исследование кинетики взаимодействия бора с расплавленным титаном. http://www.ism.ac.ru/events/isman2016/pdf/Vadchenko_2.pdf.

14. Акопян А.Г., Долуханян С.К., Боровинская И.П. Взаимодействие титана, бора и углерода в режиме горения. Физика горения и взрыва. 1978. No. 3. С. 70—75.

15. Tavadze G.F., Shteinberg A.S. Production of advanced materials by methods of self-propagating high-temperature synthesis. Springer, 2013. Vol. XIX. DOI10.1007/978-3-642-35205-8

16. Tavadze G., Khantadze J. The impact of fractional difference of components on theproperties of hard alloys produced by the SHS method. Bull. Georg. Natl. Acad. Sci. 2010. Vol. 4. P. 70—73.

17. Zhang Xinghong, Xu Qianga, Han Jiecai, V.L. Kvanin. Self-propagating high temperature combustion synthesis of TiB/Ti composites. Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 348. Iss. 1—2. P. 41—46.

18. Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Сачкова Н.В., Самохин А.В. СВС-компактирование керамических композитов на основе боридов титана и хрома. Письма о материалах. 2015. Т. 5. No. 1. C. 20—23. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2015-1-20-23.

19. Scherbakov V.A., Gryadunov A.N., Alymov M.I. Synthesis and characteristics of B4C—TiB2 composite. Adv. Mater. Technol. 2016. Iss. 4. Р. 16—21. https://doi.org/10.17277/amt.2016.04.pp.016-021.

20. Hamza Cheloui, Zhaohui Zhang, Xiangbo Shen. Microstructure and mechanical properties of TiB—TiB2 Ceramic matrix composites fabricated by spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng. A. 2011. Vol. 528. No. 10—11. P. 3849—3853. DOI: 10.1016/j.msea.2011.01.096.

21. Hu J., Dong X., Tosto S. Microstructure of face centered cubic (fcc) TiB powder synthesized by boronizing of Ti powder. J. Am. Ceram. Soc. 2012. Vol. 95. Iss. 7. P. 1—4. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2012.05229.x.

22. Hu Y.B., Zhao B., Ning F.D., Wang H., Cong W.L. In-situ ultrafine three-dimensional quasi-continuous network microstructural TiB reinforced titanium matrix composites fabrication using laser engineered net shaping. Mater. Lett. 2017. Vol. 195. P. 116—119. DOI: 10.1166/sam.2018.2853.

23. ГОСТ Р ИСО 6507-1 2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу.