Влияние механической активации смесей титана с углеродом на параметры СВС-прессования и микроструктуру консолидированного карбида титана

Изучено влияние режимов механической активации (МА) при смешении стехиометрической смеси порошков титана и сажи в шаровой мельнице на характеристики смесей, параметры горения, относительную плотность и микроструктуру консолидированных образцов из карбида титана, полученных методом СВС-прессования. Определены условия МА реакционных смесей Ti + C в шаровой мельнице. Увеличение массы размольных тел включает механизм МА. Показано, что наибольший эффект от МА получали при двухстадийной подготовке смесей: сначала отдельно активировали титановый порошок, затем осуществляли совместное смешение компонентов, в ходе которого происходило не только их перемешивание, но и активация порошка сажи. Установлено, что на характеристики горения оказывает влияние активация не только титана, но и сажи. После МА обоих компонентов на прессованных образцах обнаружен аномальный рост скорости горения (более 100 см/с). При насыпной плотности влияние МА на процесс горения смесей отсутствовало, поскольку в этом случае скорость горения всех смесей находилась в интервале 1,5–2,5 см/с. Выявлено, что МА реагентов для прессованных образцов приводит к повышению температуры горения, увеличению относительной плотности консолидированного тугоплавкого продукта до 93–95 % и уменьшению среднего размера зерен TiC. Снижение остаточной пористости консолидированного TiC обусловлено ростом температуры горячего прессования и пластичности продукта, синтезированного при горении реакционной смеси после МА. Основная причина – увеличение скорости экзотермического взаимодействия. Показано, что МА при смешении реагентов позволяет управлять параметрами горения, микроструктурой консолидированных продуктов и открывает новые возможности для получения методом СВС-прессования тугоплавких материалов с уникальными структурой и свойствами.

механическая активация, шаровая мельница, СВС-прессование, скорость и температура горения, тугоплавкое соединение, консолидированный TiC

1. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана. Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987.

2. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976.

3. Vasanthakumar K., Bakshi S.R. Effect of C/Ti ratio on densification, microstructure and mechanical properties of TiC x prepared by reactive spark plasma sintering. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. No. 1. P. 484—494.

4. Liu G., Li J., Chen K. Combustion synthesis of refractory and hard materials: A review. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 39. P. 90—102. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.09.002.

5. Lixia Cheng, Zhipeng Xie, Guanwei Liu, Wei Liu, Weinjiang Xui. Densification and mechanical properties of TiC by SPS-effects of holding time, sintering temperature and pressure condition. J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. P. 3399—3406.

6. Aziz Babapoo, Mehdi Shahedi Asl, Zohre Ahmadi, Abbas Sabahi Namini. Effects of spark plasma sintering temperature on densification, hardness and thermal conductivity of titanium carbide. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. Iss. 12. P. 14541—14546. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.071.

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

8. Богатов Ю.В., Левашов Е.А., Питюлин А.Н. Влияние особенностей процесса СВС на структуру компактного карбида титана. Порошковая металлургия. 1991. No. 7. С. 76—78.

9. Capaldi M.J., Saidi A., Wood J.V. Reaction synthesis of TiC and Fe—TiC composites. ISIJ Intern. 1997. Vol. 37. No. 2. P. 188—193.

10. Xing-Hong Zhang, Jie-Cai Han, Xiao-Dong He, Kvanin V.L. Combustion synthesis and thermal stress analysis of TiC—Ni functionally graded materials. J. Mater. Synth. Process. 2000. Vol. 8. No. 1. P. 29—34.

11. Xinghong Zhang, Xiaodong He, Jiecai Han, Wei Qu, Kvanin V.L. Combustion synthesis and densification of largescale TiC—xNi cermets. Mater. Lett. 2002. Vol. 56. No. 3. P. 183—187.

12. Shcherbakov V.A., Telepa V.T., Shcherbakov A.V. Fused TiC by electrothermal explosion under pressure. Int. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 4. P. 251—252. DOI: 10.3103/S1061386215040111.

13. Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Telepa V.T., Shcherbakov A.V. Electrothermal explosion in Ti—C mixtures under pressure. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 2. P. 122—124.

14. Alam M.S., Shafirovich E. Mechanically activated combustion synthesis of molybdenum silicides and borosilicides for ultrahigh-temperature structural applications. Proc. Combust. Inst. 2015. Vol. 35. P. 2275—2281. http://dx.doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.019.

15. Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Колесниченко К.В. Закономерности влияния предварительного механического активирования на реакционную способность СВС-смесей на основе титана. Известия вузов. Цветная металлургия. 2000. No. 6. С. 61—67.

16. Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deida C., Delogu F., Cocco G., Munir Z.F. Role mechanical activation in SHS synthesis of TiC. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227—5230.

17. Кочетов Н.А., Рогачев А.С., Погожев Ю.С. Влияние способа механического активирования реакционной смеси на скорость распространения волны СВС-реакций и микроструктуру твердого сплава TiC—Ni. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. No. 3. С. 31—35.

18. Богатов Ю.В., Баринов В.Ю., Щербаков В.А. Влияние морфологии порошков титана на параметры СВС и структуру компактного диборида титана. Перспект. материалы. 2020. No. 3. С. 50—60. DOI: 10.30791/1028978X-2020-3-50-60.

19. Дымченко Н.П., Шишлянникова Л.M., Ярославцева H.H. Применение ЭВМ при расчете тонкой кристаллической структуры поликристаллов методом вторых и четвертых моментов. Аппаратура и методы рентг. анализа. 1974. Вып. 15. С. 37—45.

20. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Учеб. пос. М.: Металлургия, 1976.

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

22. Шадринов Н.В., Капитонов Е.А. Влияние активации технического углерода на свойства бутадиен-нитрильной резины. Перспект. материалы. 2014. No. 8. С. 50—55.

23. Rubber technology. Compounding and testing for performance. Ed. J.S. Dick. Munich: Hanser Publ.; Cincinnati: Hanser Gardner Publ., 2001.

24. Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты. Омск: ОАО «Техуглерод», 2004.

25. Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материалов давлением. Киев: Наук. думка, 1980.