Химический состав и структура межфазных границ в порошковых твердых сплавах Cr₃C₂-Ti после взрывного компактирования и последующего нагрева

Представлены результаты исследований тонкой структуры, химического и фазового составов границ между компонентами твердого сплава Cr₃C₂-Ti, содержащего 40 мас.% титановой связки, в состоянии после взрывного прессования, а также после термической обработки. Температура разогрева порошковой смеси в процессе ударно-волнового нагружения составляла 730 °С, давление - 14 ГПа, что обеспечило максимальное уплотнение и консолидацию порошковой смеси без спекания. Термическая обработка компактных образцов проходила при нагреве от 400 до 700 °С и выдержке в печи в течение 1 ч с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Равновесный фазовый состав рассчитан путем численного термодинамического моделирования с использованием программного комплекса Thermo-Calc. Исследование структуры и элементного состава проводилось на электронных микроскопах FEI Quanta 3D и Versa 3D с интегрированной системой фокусированного ионного пучка для изготовления фольги, а также просвечивающих электронных микроскопах FEI Tecnai G2 20F и Titan 80-300 с режимом трансмиссионного сканирования фольг. Для проведения рентгеноструктурного фазового анализа использован дифрактометр Bruker D8 Advance. Показано, что формирование прочных межфазных границ при взрывном прессовании смесей порошков титана и карбида хрома сопровождается химическим взаимодействием компонентов с образованием приграничных слоев, имеющих общую толщину порядка 90 нм. В пределах переходного слоя наблюдается непрерывное монотонное изменение содержаний Cr и Ti при практически неизменной концентрации углерода. Фазовый состав слоев соответствует равновесному, рассчитанному при давлении ударно-волнового сжатия 12 ГПа, но является термодинамически неравновесным в нормальных условиях. Нагрев до 400 °С приводит к растворению приграничных слоев и переходу твердых сплавов Cr₃C₂-Ti в двухфазное состояние. При температуре 700 °С вдоль межфазных границ образуются чередующиеся слои из обедненных углеродом карбидов хрома (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆) и титана (TiC), которые формируются за счет диффузии углерода из исходного карбида хрома (Cr₃C₂) к титану.

1. Nesterenko V.F. Dynamics of heterogeneous materials. New York: Springer Science, 2001.

2. Рогозин В.Д. Взрывная обработка порошковых материалов. Волгоград: Политехник, 2002.

3. Prummer R. Explosive compaction of powders and composites. Boca Raton: CRC Press, 2006.

4. Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И., Пай В.В. Уплотнение смесей порошков карбида хрома и металлической связки при взрывном прессовании. Физика горения и взрыва. 2019. Т. 55. No. 4. С. 129—137.

5. Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Агеева Е.В. Исследование свойств электроэрозионных порошков и твердого сплава, полученного из них изостатическим прессованием и спеканием. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 6. С. 51—55.

6. Панов В.С., Зайцев А.А. Тенденции развития технологии ультрадисперсных и наноразмерных твердых сплавов WC—Co. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. No. 3. С. 38—48.

7. Kear B.H., Skandan G., Sadangi R.K. Factors controlling decarburization 1n HVOF sprayed nano-WC/Co hard coatings. Scripta Mater. 2001. Vol. 44. No. 8-9. P. 1703—1707.

8. Калита В.И., Радюк А.А., Комлев Д.И., Иванников А.Ю., Благовещенский Ю.В., Григорович К.В., Шибаева Т.В., Умнова Н.В., Молоканов В.В., Умнов П.П., Мельник Ю.И. Плазменные покрытия WC—Co из механически легированного порошка. Физика и химия обработки материалов. 2014. No. 5. С. 22—29.

9. Mrdak M.R. Mechan1cal propert1es and microstructure of vacuum plasma sprayed СгзС2—25 (Ni20Cr) coatings. Vojnotehnickiglasnik. 2015. Vol. 63. No. 2. P. 47—63.

10. Pirso J., Viljus M. Structure formation of CrзC2-based cermets during s1nter1ng. Proceedings of Powder Metallurgy World Congress. 2000. P. 1265—1268.

11. Duran C., Eroglu S. Liquid-phase sintering and properties of СгзС2/NiCr cermets. J. Mater. Proces. Technol. 1998. Vol. 74. No. 1-3. P. 69—73.

12. Альтшулер Л. В., Трунин Р.Ф., Урлин В.Д., Фортов В.Е., Фунтиков А.И. Развитие в России динамических методов исследований высоких давлений. Успехи физических наук. 1999. Т. 169. No. 3. С. 323—344.

13. Lee S.H., Hokamoto K. WC/Co coating on a mild steel substrate through underwater shock compaction us1ng a self combustible material layer (WC/Co coating through underwater shock compaction). Mater. Trans. 2007. Vol. 48. No. 1. P. 80—83.

14. Яковлев И.В., Оголихин В.М., Шемелин С.Д. Взрывное изготовление металлокерамических защитных контейнеров. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2012. T. 14. C. 55—60.

15. Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Y.L. Explosive compaction of WC + Co mixture by axisymmetric scheme. Journal of Physics: Conf. Ser. 2015. Vol. 653. No. 1. P. 012036.

16. Крохалев А.В., Харламов В.О., Тупицин М.А., Кузьмин С.В., Лысак В.И. О возможности получения твердых сплавов из смесей порошков карбидов с металлами взрывным прессованием без спекания. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 2. С. 22—30.

17. Бондарь М.П., Нестеренко В.Ф. Деформации на контактах и критерии образования соединения при импульсных воздействиях. Физика горения и взрыва. 1991. Т. 27. No. 3. C. 103—117.

18. Бондарь М.П. Компактирование взрывом: тип микроструктуры контактных границ, созданный при образовании прочной связи. Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. No. 4. С. 131—140.

19. Бондарь М.П., Ободовский Е.С., Псахье С.Г. Изучение особенностей микроструктуры зоны контактного взаимодействия частиц порошков при динамическом прессовании. Физическая мезомеханика. 2004. T. 7. No. 3. С. 17—23.

20. Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Основы технологии получения износостойких покрытий из смесей порошков карбида хрома с металлической связкой взрывным прессованием. Известия вузов. Цветная металлургия. 2018. No. 3. С. 68—83.

21. Ткаченко. Ю.Г. Трение и износ бескислородных тугоплавких соединений и материалов на их основе при высоких температурах. Трение и износ. 1981. Т. 2. No. 5. C. 864—876.

22. Лысак В.И., Кузьмин С.В., Крохалев А.В., Гринберг Б.А. Строение границ в композиционных материалах, полученных с использованием взрывного нагружения. Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. No. 11. C. 1026—1031.

23. Wang D.Y., Weng K.W., Chang C.L., Ho W.Y. Synthesis of Cr3C2 coatings for tribological applications. Surf. Coat. Technol. 1999. Vol. 120. P. 622—628.

24. Li J.F., Huang J.Q., Zhang Y.F., Ding C.X. Tribological properties of plasma-sprayed coatings under water-lubricated sliding. J. Inorg. Mater. 1998. Vol. 13. No. 4. P. 519—520.

25. Лысак В.И., Крохалев А.В., Кузьмин С.В., Рогозин В.Д., Каунов А.М. Прессование порошков взрывом. Москва: Машиностроение, 2015.

26. Konyashin I., Sologubenko A., Weirich T., Ries B. Complexion at WC—Co grain boundaries of cemented carbides. Mater. Lett. 2017. Vol. 187. P. 7—10.

27. Konyashin I., Straumal B.B., Ries B., Bulatov M.F., Kolesnikova K.I. Contact angles of WC/WC grain boundaries with binder in cemented carbides with various carbon content. Mater. Lett. 2017. Vol. 196. P. 1—3.

28. Konyashin I., Zaitsev A.A., Sidorenko D., Levashov E.A., Ries B., Konischev S.N., Sorokin M., Mazilkin A.A., Herrmann M., Kaiser A. Wettability of tungsten carbide by liquid binders in WC—Co cemented carbides: Is it complete for all carbon contents? Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2017. Vol. 62. P. 134—148.

29. Konyashin I., Zaitsev A., Meledin A., Mayer J., Loginov P., Levashov E., Ries B. Interfaces between model Co—WC alloys with various carbon contents and tungsten carbide. Materials. 2018. Vol. 11. No. 3. 404.