Синтез пористого композиционного материала при горении порошков титана, бора и гранул плакированного никелем алюминия

Проведен самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) в системе Ni-Al-Ti-B. Целью исследования было получение в одну технологическую стадию композиционного материала с керамическим и интерметаллидным каркасами и развитой пористой структурой в режиме горения из спрессованной методом последовательного порционного уплотнения порошковой системы «бор-титан-крупные гранулы плакированного никелем алюминия». Процесс синтеза характеризуется стадийностью, при которой сильноэкзотермическая реакция между титаном и бором формировала боридную матрицу с развитой открытой пористостью и выступала в качестве «химической печки» для поддержания реакции в плакированных гранулах, в которой возникали алюминиды никеля. Расплав из алюминидов пропитывал пористую диборидную матрицу. Стадийность синтеза отражается на термограммах процесса. Конечная структура продукта обладает разномасштабной пористостью, характерная особенность которой - крупные поры округлой формы (~100÷160 мкм в поперечнике), расположение которых соответствует положению плакированных гранул в исходной порошковой системе. Мелкие (0,1-5,0 мкм) и часть средних (до 15 мкм) пор диборидной матрицы заполнены алюминидами никеля. Полученный материал имеет композиционное строение по типу взаимопроникающих каркасов - керамического (TiB2) и алюминидного (NiAl, Ni₃Al). Диборидную матрицу образуют хаотично ориентированные гексагональные мелкие кристаллы, размер которых в поперечнике составляет преимущественно 0,2-1,0 мкм. На границах с макропорами кристаллические зерна диборида увеличиваются в размере до 2-6 мкм в поперечнике и 0,5-2,0 мкм по толщине, приобретая более выраженную пластинчатую форму. Основной размер интерметаллидных прослоек, заполняющих поры между кристаллическими зернами диборида, составляет ~0,2÷1,0 мкм.

1. Боровинская И.П. К вопросу о регулировании состава, структуры и свойств СВС-продуктов. В сб.: Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса. Под ред. Мержанова А.Г. Черноголовка: Территория, 2003. С. 139—142.

2. Мазной А.С., Кирдяшкин А.И. Влияние исходных параметров реагирующей системы на структуру пористости продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Физика горения и взрыва. 2014. No. 1. С. 69—77.

3. Andriyanov D.I., Amosov A.P., Samboruk A.R. Influence of granulation of powder charge of titanium—boron on regularities of self-propogating high-temperature synthesis of porous material. Key Eng. Mater. 2016. Vol. 685. P. 500— 504. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.685.500.

4. Ponomarev M.A., Loryan V.E., Kochetov N.A., Merzha-nov A.G. SHS in preliminary structured compacts: I. Ni— Al blends. Int. J. Self. Prop. High Temp. Synth. 2013. Vol. 22. No. 4. P. 193—201. DOI: 10.3103/S1061386213040043.

5. Ponomarev M.A., Loryan V.E., Shchukin A.S., Merzha-nov A.G. SHS in preliminary structured compacts: II. Ti—2B and Ti—Al blends. Int. J. Self. Prop. High Temp. Synth. 2013. Vol. 22. No. 4. P. 202—209. DOI: 10.3103/S1061386213040055.

6. Ponomarev M.A., Loryan V.E. Synthesis of porous composite materials via combustion of a mixture of titanium, VT6 alloy, and amorphous boron powders. Inorg. Mater. 2018. Vol. 54. No. 8. P. 772—778. DOI: 10.1134/S0020168518080150.

7. Пономарев М.А., Лорян В.Э. Синтез композиционного материала в системе Al—Ti—B при горении порошков титана, бора и плакированных алюминием гранул сплава ВТ6. Перспект. матер. 2019. No. 3. С. 62—73. DOI: 10.30791/1028-978X-2019-3-62-73.

8. Hyjek P., Sulima I., Jaworska L. Application of SHS in the manufacture of (NiAl/Ni3Al)/TiB2 composite. Metal. Mater. Trans. A. 2019. Vol. 50. No. 8. P. 3724—3735. DOI: 10.1007/s11661-019-05306-w.

9. Camurlu H.E., Maglia F. Self-propagating high-temperature synthesis of ZrB2 or TiB2 reinforced Ni—Al composite powders. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 478. No. 1-2. P. 721—725. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.11.139.

10. Bhaumik S.K., Divakar C., Rangaraj L., Singh A.K. Reaction sintering of NiAl and TiB2—NiAl composites under pressure. Mater. Sci. Eng. A. 1998. Vol. 257. No. 2. P. 341— 348. DOI: 10.1016/S0921-5093(98)00862-4.

11. Li Ma, Hong Zhi Cui, Li Li Cao, Fang Lei Teng, Ning Cui, Lei Liu. The synthesis of porous TiC—TiB2—NiAl composites by SHS. Adv. Mater. Res. 2013. Vol. 634-638. P. 2110—2118. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.634-638.2110.

12. Wei N., Cui H., Ma L., Song X., Liu W., Hou N. Porous TiC—TiB2—NiAl composites and effect of NiAl contents on pore structure and microstructure. Powder Metallurgy. 2015. Vol. 58. P. 273—280. DOI: 10.1179/1743290115Y.0000000007.

13. Heng Zhang, He-Guo Zhu. In Situ Synthesis of TiB2/NiAl composite. In: Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Advanced Material Engineering (AME 2016). Atlantis Press, 2016. P. 31—135. DOI: 10.2991/ame-16.2016.22.

14. Guo J.T., Xing Z.P. Investigation of NiAl—TiB2 in situ composites. J. Mater. Res. 1997. Vol. 12. No. 4. P. 1083—1090. DOI: 10.1557/JMR.1997.0151.

15. Yi H.C., Varma A., Rogachev A.S., McGinn P.J. Gravity-induced microstructural nonuniformities during combustion synthesis of intermetallic-ceramic composite materials. Ind. Eng. Chem. Res. United States. 1996. Vol. 35. No. 9. P. 2982—2985. DOI: 10.1021/ie950750v.

16. Mukasyan A.S., Pelekh A., Varma A., Rogachev A.S. Effects of gravity on combustion synthesis in heterogeneous gasless systems. AIAA Journal. 1997. Vol. 35. No. 12. P. 1821— 1828. DOI: 10.2514/3.13757.

17. Merzhanov A.G. Thermally coupled SHS reactions. Int. J. Self. Prop. High Temp. Synth. 2011. Vol. 20. No. 1. P. 61— 63. DOI: 10.3103/S1061386211010109.

18. Mukasyan A.S., Lau C., Varma A. Gasless combustion of aluminum particles clad by nickel. Combust. Sci. and Tech. 2001. Vol. 170. No. 1. P. 67—85. DOI: 10.1080/00102200108907850.

19. Лапшин О.В., Овчаренко В.Е. Математическая модель высокотемпературного синтеза алюминида никеля Ni3Al в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов. Физика горения и взрыва. 1996. No. 3. С. 68—76.

20. Гаспарян А.Г., Штейнберг А.С. Макрокинетика взаимодействия и тепловой взрыв в смесях порошков Ni и Al. Физика горения и взрыва. 1988. No. 3. С. 67—74.

21. Корчагин М.А., Филимонов В.Ю., Смирнов Е.В., Ляхов Н.З. Тепловой взрыв механически активированной смеси 3Ni + Al. Физика горения и взрыва. 2010. No. 1. С.48—53.

22. Розенбанд В., Гани А. Синтез порошка диборида магния в режиме теплового взрыва. Физика горения и взрыва. 2014. No. 6. С. 34—39.

23. Ларина Т.В., Перминов В.П., Соснов А.Н., Неронов В.А. Методы получения боридов алюминия и магния. Гео-Сибирь. 2007. Т. 4. No. 1. С. 109—112. DOI: 10.3997/2214-4609.201403468.

24. Попов Д.А., Огородов Д.В., Трапезников А.В. Альтернативные источники борсодержащего сырья для производства лигатуры Al—B (обзор). Труды ВИАМ. 2015. No. 10. С. 41—47. DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-10-7-7.

25. Азатян Т. С., Мальцев В.М., Мержанов А.Г., Селезнев В.А. О механизме распространения волны горения в смесях титана с бором. Физика горения и взрыва. 1980. No. 2. С. 37—42.

26. 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—14.

27. Андреев В.А., Левашов Е.А., Мальцев В.М., Хавский Н.Н. Особенности капиллярного массопереноса в волне горения многокомпонентных гетерогенных систем. Физика горения и взрыва. 1988. No. 2. С. 73—77.

28. Пономарев М.А., Щербаков В.А., Штейнберг А.С. Закономерности горения тонких слоев порошковой смеси титан—бор. Докл. Академии Наук. 1995. Т. 340. No. 5. С. 642—645.