Влияние механической активации и параметров горения на СВС-компактирование карбида титана

Представлены результаты исследования по получению методом СВС-компактирования плотного карбида титана. Выявлено, что использование механически активированной реакционной смеси порошков титана и сажи позволяет получить образцы карбида титана с максимальной относительной плотностью 95 %. Особенностью настоящей работы является то, что механическую активацию компонентов и смешивание смеси Ti + C проводили в шаровой мельнице. Исследовано влияние технологических параметров на характеристики горения и структуру консолидированного карбида титана. Установлено, что для получения высокоплотного карбида титана необходимым условием является реализация режима высокоскоростного горения реакционной смеси. Показано, что скорость и температура горения сильно зависят от размеров, массы и плотности шихтовых прессовок. При увеличении диаметра (20–58 мм) и массы (10–70 г) прессованных образцов из смесей с активированными реагентами скорость горения менялась от 10 до 100 см/с, а температура горения – от 2200 до 3100 °С. Показано влияние давления подпрессовки (прикладываемое на стадии горения) на скорость и температуру процесса горения: скорость резко снижается от 100 до 10 см/с в интервале давлений 0–10 МПа, а температура монотонно уменьшается от 3000 до 2000 °С при давлении 0–40 МПа. Предложен механизм высокоскоростного горения реакционной смеси титана и сажи, в котором важным фактором является образование радиальных (продольных) трещин в образцах, спрессованных из механически активированной смеси. Они обеспечивают распространение раскаленных примесных газов и инициирование экзотермической реакции в объеме образца.

1. Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Historical retrospective of SHS: An аutoreview. Int. J. SHS. 2008. Vol. 17. P. 242—265.

2. Мержанов А.Г., Ратников В.И., Боровинская И.П., Дубовицкий Ф.И., Энман В.К., Богородский Е.С., Шифрин Я.А., Горячев Н.С., Рябин А.И., Сурнин Б.Н. Твердый материал: А.с. No. 824677 (СССР). 1978.

3. Левашов Е.А., Богатов Ю.В., Рогачев А.С., Питюлин А.Н., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Закономерности формирования структуры твердых инструментальных материалов в процессе СВС-компактирования. Инженерно-физический журнал. 1992. Т. 63. No. 5. С. 558—576.

4. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Уч. пос. М.: Изд. дом МИСиС, 2011.

5. 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.

6. 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. Synt. Proces. 2000. Vol. 8. No. 1. P. 29—34.

7. Tavadze G.F., Shteinberg A.S. Production of advanced materials by methods of self-propagating high-temperature synthesis. Springer, 2013. DOI: 10.1007/978-3-642-35205-8.

8. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердо-пламенное горение. М.: Торус Пресс, 2007.

9. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. Черноголовка: ИСМАН, 2000.

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

11. Bogatov Yu.V., Shcherbakov V.A. Forced SHS compaction of Ti—B blends: Influence of mixing conditions and sample mass. Int. J. SHS. 2020. Vol. 29. No. 2. P. 100— 103. DOI: 10.3103/S106138622002003X.

12. Manukyan Kh.V., Ya-Cheng Lin, Rouvimov S., McGinn P.J., Mukasyan A.S. Microstructure-reactivity relationship of Ti + C reactive nanomaterials. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. Art. 024302. DOI: 10.1063/1.4773475.

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

14. Богатов Ю.В., Щербаков В.А., Ковалев И.Д. Влияние механической активации смесей титана с углеродом на параметры СВС-прессования и микроструктуру консолидированного карбида титана. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021. Т. 15. No. 1. С. 38—46. DOI: 10.17073/1997-308X-2021-1-38-46.

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

16. Богатов Ю.В., Баринов В.Ю., Щербаков В.А. Влияние морфологии порошков титана на параметры СВС и структуру компактного диборида титана. Перспективные материалы. 2020. No. 3. С. 50—60. DOI: 10.30791/1028-978X-2020-3-50-60.

17. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Уч. пос. М.: Металлургия, 1976.

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

19. Dick J.S. (Ed.) Rubber technology. Compounding and testing for performance. Munich, Cincinnati: Hanser Publ., 2001.

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

21. 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.

22. Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Штейнберг А.С. Макрокинетика процесса СВС-компактирования. Инженерно-физический журнал. 1992. Т. 63. No. 5. С. 583— 592.

23. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for material synthesis. Boca Raton—London—New York: CRC Press, 2014.

24. Щербаков В.А. Диспергирование тугоплавкого реагента в волне безгазового горения. Докл. Академии наук. 1996. Т. 347. No. 5. С. 645—648.

25. Shkodich N.F., Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Sachkova N.V., Chassagnon R. Reactivity of mechanoactivated Ni—Al blends. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21 No. 2. P. 104—109.