Опыт получения композиционных материалов системы Ti–Cu–C СВС-процессом

Цель работы – с помощью СВС-технологии получить износостойкие изделия из композиционных материалов нового типа. С учетом имеющихся данных в научно-технической литературе выбрана система Ti–Сu–C. Экспериментальным сжиганием различных составов СВС-шихт, состоящих из титанового порошка, медного порошка и сажи, выявлены составы, способные гореть при СВС-процессе и обеспечивать получение расплава, содержащего карбид титана и, в качестве связки, куприды титана, имеющие более высокие механические свойства и меньшие температуры плавления, чем чистая медь. Получение модельных образцов изделий в виде втулок наружным диаметром 70 и 110 мм осуществляли путем сжигания СВС-шихты выбранных составов в реакторе с последующим компактированием образующегося расплава при усилии 50–60 т. После электроэрозионной обработки черновой заготовки вырезали образцы для фазового и рентгеноспектрального анализов, а также испытаний на износостойкость. При оптимальном соотношении компонентов СВС-шихт в материале модельных образцов выявлены карбид титана и связка в виде купридов титана разных составов. Путем испытания на изнашивание при скольжении по закрепленному абразиву под удельным давлением 1 МПа определено, что относительная абразивная износостойкость нового материала при твердости 50–52 HRC составляет 1,8–2,0 ед. по сравнению с закаленной инструментальной штамповой сталью Х12МФЛ. Для практической реализации технологии предложен алгоритм расчета составов СВС-шихты новой композиции, при этом его принципом является такое соотношение компонентов, при котором вводимый углерод образует с титаном карбид титана, а вводимый избыточный титан образует с медью куприды титана. Разработанный материал можно рассматривать как перспективный для использования в качестве элементов оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания. По данной разработке получен патент 2691656 (РФ).

1. Мержанов А.Г., Шкиро В.М., Боровинская И.П. Способ синтеза тугоплавких неорганических соединений: А.с. 255221 (СССР). 1967; Пат. 2088668 (Франция). 1972; Пат. 3726643 (США). 1973; Пат. 1321084 (Англия). 1974; Пат. 1098839 (Япония). 1982.

2. Концепция развития самораспространяющегося высокотемпературного синтеза как области научно-технического прогресса (Отв. ред. А.Г. Мержанов). Черноголовка: Территория, 2003.

3. Мержанов А.Г., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез литых тугоплавких неорганических изделий. Докл. АН СССР. 1980. Т. 255. No. 2. С. 336-339.

4. Амосов А.П. Наноматериалы, технологии СВС для триботехнического применения: Обзор. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. No. 4. С. 17-33.

5. Bassani P., Giuliani P., Tuissi A., Zanotti C. Thermomechanical properties of porous NiTi alloy produced by SHS. J. Mater. Eng. Perform. 2009. No. 18. P. 594—599. https://doi.org/10.1007/s11665-009-9493-8.

6. Bai Y., He X., Li Y., Zhu C., Zhang S. Rapid synthesis of bulk Ti2AlC by self-propagating high temperature combustion synthesis with a pseudo-hot isostatic pressing process. J. Mater. Res. 2009. No. 24. P. 2528—2535. https://doi.org/10.1557/jmr.2009.0327.

7. Hosseini S.A., Alizadeh M., Ghasemi A., Meshkot M.A. Highly porous NiTi with isotropic pore morphology fabricated by self-propagated high-temperature synthesis. J. Mater. Eng. Perform. 2013. No. 22. P. 405—409. https:// doi.org/10.1007/s11665-012-0289-x.

8. Radek N. Experimental investigations of the Cu—Mo and Cu—Ti electro-spark coatings modified by laser beam. Adv. Manuf. Sci.Technol. 2008. Vol. 32. No. 2. P. 53—68.

9. Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Vorotilo S., Pogozhev Yu.S., Patsera E.I. Prospective SHS composites for high-tempe-rature applications. IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 558. No. 012025.

10. Алабушев В.А., Рожков А.С. Способ получения изделий из композиционных материалов на основе карбида титана: Пат. 1338209 (РФ). 1995.

11. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник в 3 т. М.: Машиностроение, 1997.

12. Евстропов Д.А. Формирование структуры и свойств композиционных покрытий системы Cu—Ti на поверхности медных изделий: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград: Волгоградский гос. техн. ун-т, 2016.

13. Гиршов В.Л., Александров А.А., Крупнова И.В., Цеменко В.Н., Часов В.В., Шалашов Е.В. Порошковый износостойкий материал и способ его изготовления: Пат. 2472866 (РФ). 2013.

14. Ермоленко А.В., Филоненко В.П., Каличкина Н.С. Сверхтвердый композиционный материал: Пат. 2108404 (РФ). 1998.

15. Пашинский В.В., Субботина М.Г. Оценка перспектив создания композиционных материалов на основе Ti—Cu матрицы, упрочненной TiC. Науковi працi ДонНТУ. Металургiя. 2012. Вып. 1 (14)— 2 (15). С. 103—109.

16. Iwai T., Souwa M. Bicycle brake pad and method manufacturing bicycle brace pad: Pat. 0223042 (USA). 2016.

17. Makino A. Fundamental aspects of the heterogeneous flame in the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) process. Progr. Energy Combust. Sci. 2001. Vol. 27. Iss. 1. P. 1—74. https://doi.org/10.1016/S03601285(00)00004-6.

18. Gennaria S., Tamburini U.A., Maglia F., Spinolo G., Munir Z.A. A new approach to the modeling of SHS reactions: Combustion synthesis of transition metal aluminides. Acta Mater. 2006. Vol. 54. Iss. 9. P. 2343—2351. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.01.009.

19. Gennaria S., Maglia F., Tamburini U.A., Spinolo G. SHS (Self-sustained high-temperature synthesis) of intermetallic compounds: effect of process parameters by computer simulation. Intermetallics. 2003. Vol. 11. Iss. 11-12. P. 1355—1359. https://doi.org/10.1016/S09669795(03)00179-1.

20. Zuccaro G., Lapenta G., Maizza G. Particle in cell simulation of combustion synthesis of TiC nanoparticles. Comput. Phys. Commun. 2004. Vol. 162. Iss. 2. P. 89—101. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2004.05.004.

21. Sdobnyakov N., Khort A., Myasnichenko V., Podbolotov K., Romanovskaia E., Kolosov A., Sokolov D., Romanovski V. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles. Comput. Mater. Sci. 2020. Vol. 184. No. 109936. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109936.

22. Филиппенков А.А., Цикарев В.Г., Алабушев А.В. Шихта и способ получения износостойкого материала с ее использованием методом СВС: Пат. 2691656 (РФ). 2018.