Осаждение меди из раствора ее сульфата на порошок титана с одновременной механической активацией смеси

Для получения композитных частиц Cu–Ti использован метод осаждения меди из раствора ее сульфата на частицы порошка титана при одновременной механической активации (МА) смеси в планетарной шаровой мельнице АГО-2 в течение 5 мин. Концентрация CuSO₄ ·5H₂O в растворах составляла 10 и 16 %, что при полном восстановлении меди обеспечивало молярное соотношение Cu/Ti = 0,85 и 1,36 соответственно. При МА происходит быстрое восстановление меди в виде высокодисперсного частично аморфизованного порошка и формируются композитные частицы с тонкой ламинатной структурой и высокой реакционной способностью. Отмывку и хранение полученных композитных порошков проводили в атмосфере аргона, так как восстановленная медь обладает высокой активностью и на воздухе быстро окисляется до оксида Cu₂O. После сушки дополнительно проводили МА смеси в течение 5 мин. Из полученных порошков прессовали таблетки диаметром 3 мм и высотой до 1,5 мм с последующим их нагревом в атмосфере аргона до температур 700–1200 °С. При нагреве образцов начиналась интенсивная реакция с выделением тепла (тепловой взрыв) и образованием интерметаллидов TiCu, Ti₂Cu₃ и Ti₂Cu. Критическая температура воспламенения для композитных порошков, полученных МА с одновременным осаждением меди из раствора, составляет 480 °С, что на 400 °С ниже температуры воспламенения обычной смеси порошков титана и меди. При температуре нагрева, близкой к температуре плавления, сплав имеет дендритную структуру, а в случае ее превышения более чем на 100 °C распределение фаз в сплаве становится более однородным, а их размер уменьшается.

осаждение меди, механическая активация, спекание, интерметаллиды титан–медь

1. Alshammari Y., Yang F., Bolzoni L. Low-cost powder metallurgy Ti—Cu alloys as a potential antibacterial material. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2019. Vol. 95. P. 232—239. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2019.04.004.

2. Zhou Kun, Liu Ying, Pang Shujie, Zhang Tao. Formation and properties of centimeter-size Zr—Ti—Cu—Al—Y bulk metallic glasses as potential biomaterials. J Alloys Compd. 2016. Vol. 656. P. 389—394. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.09.254.

3. Liu Ying, Pang Shujie, Li Haifei, Hu Qiao, Chen Bin, Zhang Tao. Formation and properties of Ti-based Ti—Zr—CuFe—Sn—Si bulk glasses with different (Ti + Zr)/Cu ratios for biomedical application. Intermetallics. 2016. Vol. 72. P. 36—43. DOI: 10.1016/j.intermet.2016.01.007.

4. Satoshi Semboshi1, Satoshi Yamauchi, Hiroshi Numakura. Formation of titanium hydride in dilute CuTi alloy by aging in hydrogen atmosphere and its effects on electrical and mechanical properties. Mater. Trans. 2013. Vol. 54. No. 4. P. 520—527. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.M2012423.

5. Калин Б.А., Федотов В.Т., Севрюков О.Н., Мамедова Т.Т., Рыбкин Б.В., Иванов А.В., Тимошин С.Н. Разработка и применение быстрозакаленных припоев для прецизионной пайки разнородных материалов атомной техники. Вопр. атом. науки и техники. 2005. No. 5. С. 150—155.

6. Brunelli K., Dabalà M., Magrini M. Cu-based amorphous alloy electrodes for fuel cells. J. Appl. Electrochem. 2002. Vol. 32. No. 2. P. 145—148. DOI: 10.1023/A:1014733910695.

7. Maeland A.J. Rapidly quenched metals. Amsterdam: Elsevier, 1985. P. 1507.

8. Шморгун В.Г., Слаутин О.В., Евстропов Д.А., Таубе А.О. Диффузионные процессы на межслойной границе сваренного взрывом трехслойного композита системы Cu—Ti. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. No. 4. C. 36—39. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2014-4-36-39.

9. Tomolya K. Ti—Cu-based amorphous powders produced by ball-milling. Mater. Sci. Forum. 2017. Vol. 879. P. 1974—1979. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.879.1974.

10. Delogu F., Cocco G. Compositional effects on the mechanochemical synthesis of Fe—Ti and Cu—Ti amorphous alloys by mechanical alloying, J. Alloys. Compd. 2003. Vol. 352. No. 1. P. 92—98. DOI: 10.1016/S09258388(02)01109-X.

11. Molnar A., Domokos L., Katona T., Martinek T., Mulas G., Cocco G., Bertoti I., Szepvolgyi J. Activation of amorphous Cu—M (M — Ti, Zr, or Hf) alloy powders made by mechanical alloying. Mater. Sci. Eng. 1997. No. 226—228. P. 1074—1078.

12. Guwer A., Nowosielski R., Borowski A., Babilas R. Fabrication of copper-titanium powders prepared by mechanical alloying. Ind. J. Eng. Mater. Sci. 2014. Vol. 21. P. 261—271. http://hdl.handle.net/123456789/28985.

13. Grigor’eva T.F., Šepelák V., Letsko A.I., Talako T.L., Kuznetsova T.A., Tsybulya S.V., Ilyushchenko A.F., Lyakhov N.Z. Mechanochemical synthesis of nanocomposites for interacting metals Cu—Zr, Cu—Ti. Powder Metall. Progr. 2011. Vol. 11. No. 3—4. P. 277—283.

14. Bateni M.R., Mirdamadi S., Ashrafizadeh F., Szpunar J.A., Drew R.A.L. Formation of Ti—Cu intermetallic coating on copper substrate. Mater. Manuf. Proc. 2001. Vol. 16. Iss. 2b. P. 219—228. doi.org/10.1081/AMP-100104302.

15. Мейлах А.Г. Получение и свойства сталей из плакированных никелем железных порошков. Сталь. 2014. No. 2. P. 71—74.

16. Концевой Ю.В., Долматов А.В., Пастухов Э.А., Григорьева Т.Ф. Механическое плакирование дисперсных систем Fe—Al и Fe—Cu при динамических нагрузках. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2015. No. 1. P. 8—11. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-1-8-11.

17. Vadchenko S.G., Boyarchenko O.D., Shkodich N.F., Rogachev A.S. Thermal explosion in various Ni—Al systems: Effect of mechanical activation. Int. J. SHS. 2013. Vol. 22. No. 1. P. 60—64. DOI: 10.3103/S1061386213010123.

18. Naoya Shirasawa, Yorinobu Takigawa, Tokuteru Uesugi, Kenji Higashi. Calculation of alloying effect on formation enthalpy of TiCu intermetallics from firstprinciples calculations for designing Ti—Cu-system metallic glasses. Philos. Mag. Lett. 2016. Vol. 96. Iss. 1 P. 1—8. http://dx.doi.org/10.1080/09500839.2015.1134833.

19. Eremenko V.N., Buyanov Y.I., Prima S.B. Phase diagram of the system titanium-copper. Powder Metall. Met. Ceram. 1966. Vol. 5. P. 494—502. https://doi.org/10.1007/BF00775543.

20. Shanker Rao T.L., Lad K.N., Pratap A. Study of non-isothermal crystallization of amorphous Cu50 Ti 50 alloy. J. Therm. Anal. Calorim. 2004. Vol. 78. Iss. 3. P. 769—774. https://doi.org/10.1007/s10973-005-0444-0.

21. Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Aronin A.S., Shchkin A.S., Kovalev D.Yu., Nepapushev A.A., Rouvimov S., Mukasyan A.S. Self-sustained exothermal waves in amorphous and nanocrystalline films: A comparative study. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 749. P. 44—51. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.03.255.

22. Шкодич Н.Ф., Рогачев А.С., Вадченко С.Г., Ковалев И.Д., Непапушев А.А., Рувимов С.С., Мукасьян А.С. Формирование аморфных структур и их кристаллизация в системе Cu—Ti под действием высокоэнергетической механической обработки. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 2. P. 14—21. https://dx.doi.org/10.17073/1997308X-2017-2-14-21.

23. Ковалев Д.Ю., Вадченко С.Г., Рогачев А.С., Аронин А.С., Алымов М.И. Динамическая рентгенография перехода аморфного сплава TiCu в кристаллическое состояние. Докл. ДАН. 2017. Т. 473. No. 1. P. 28—31. DOI: 10.7868/S0869565217070088.