Исследование возможности получения длинномерных образцов MAX-кермета Ti3AlC2–Al методом СВС с самопроизвольной инфильтрацией расплавом алюминия

Рассмотрены особенности совмещения процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористого каркаса МАХ-фазы Ti3AlC2 с инфильтрацией расплавом алюминия в самопроизвольном режиме с целью получения образцов керамико-металлического композита (МАХ-кермета) Ti3AlC2–Al увеличенных размеров в воздушной атмосфере. Разработана новая схема изготовления длинномерных образцов СВС-керметов из шихты насыпной плотности с самопроизвольной инфильтрацией расплавом в спутном направлении с движением волны горения, при которой можно регулировать временнýю паузу между моментом окончания синтеза Ti3AlC2 и началом процесса самопроизвольного заполнения пор расплавом алюминия. По данной технологии был синтезирован СВС-каркас Ti3AlC2 общей длиной 250 мм и диаметром 22–24 мм, в котором глубина инфильтрации чистым алюминием составила около 110 мм, а пропитка сплавом Al–12%Si – 130 мм. Приведены сравнительные данные по плотности, микроструктуре и фазовому составу на разных участках по длине образцов полученных СВС-керметов. Установлено, что инфильтрация чистым алюминием разрушает МАХ-фазу Ti3AlC2, превращая ее в смесь фаз TiC + TiAl3 в СВС-кермете, а добавка 12 % Si к Al-расплаву способствует некоторому сохранению Ti3AlC2 в кермете. Вместо образцов МАХ-керметов с целевым составом Ti3AlC2–Al и Ti3AlC2–(Al–12%Si) получены длинномерные образцы СВС-керметов с другим реальным фазовым составом: TiC–TiAl3–Al и TiC–Ti3AlC2–TiAl3–(Al–12%Si) соответственно, в которых МАХ-фаза Ti3AlC2 или практически отсутствует, или имеется в небольших количествах. Средние значения твердости СВС-керметов TiC–TiAl3–Al и TiC–Ti3AlC2–TiAl3–(Al–12%Si) составили HB = 640 и 740 МПа, плотность ρ = 2,88÷3,16 и 3,03÷3,13 г/см3, а остаточная пористость П = 17,0÷24,6 и 17,6÷20,3 % соответственно.

1. Barsoum M.W. MAX phases: Properties of machinable ternary carbides and nitrides. Weinheim: Wiley-VCH, 2013.

2. Gonzalez-Julian J. Processing of MAX phases: From synthesis to applications. J. Amer. Ceram. Soc. 2021. Vol. 104. Iss. 2. P. 659—690. DOI:10.1111/jace.17544.

3. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2012.

4. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Int. Mater. Rev. 2016. No. 62 (4). Р. 1—37. DOI:10.1080/09506608.2016.1243291.

5. Amini S., Barsoum M.W. «MAXMET»s: A new class of metal matrix composites reinforced with MAX phases. Metal Matrix Composites. 2012. No. 1. P. 31—75.

6. Amini Sh., Strock C.W., Burlatsky S.F., Novikov D., Furrer D.U. MAXMET composites for turbine engine component tips: Pat. 2014/149097A2 (WO). 2014.

7. Hu W., Huang Z., Wang Y., Li X., Zhai H., Zhou Y., Chen L. Layered ternary MAX phases and their MX particulate derivative reinforced metal matrix composite: A review. J. Alloys Compd. 2021. Vol. 856. P. 157313. DOI:10.1016/j.jallcom.2020.157313.

8. Barsoum M.W., Brodkin D., El-Raghy T. Layered machinable ceramics for high temperature applications. Scripta Mater. 1997. Vol. 35. P. 535—541. DOI:10.1016/S13596462(96000418-6.

9. Wang X.H., Zhou Y.C. Layered machinable and electrically conductive Ti2AlC and Ti3AlC2 ceramics: a review. J. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol. 26. No. 5. P. 385—416. DOI:10.1016/S1005-0302(10)60064-3.

10. Dmitruk A., Naplocha K. Manufacturing of Al alloy matrix composite materials reinforced with MAX phases. Arch. Foundr. Eng. 2018. Vol. 18. No. 2. P. 198—202. DOI:10.24425/122528.

11. Hanaor D.A.H., Hu L., Kan W.H., Proust G., Foley M., Karaman I., Radovic M. Compressive performance and crack propagation in Al alloy/Ti2AlC composites. Mater. Sci. Eng. A. 2016. No. 672. P. 247—256. DOI:10.1016/j.msea.2016.06.073.

12. Wang W.J., Gauthier-Brunet V., Bei G.P., Laplanche G., Bonneville J., Joulain A., Dubois S. Powder metallurgy processing and compressive properties of Ti3AlC2/Al composites. Mater. Sci. Eng. A. 2011. Vol. 530(15). Р. 168—173. DOI:10.1016/j.msea.2011.09.068.

13. Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р. Применение процессов инфильтрации и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения керметов: Обзор. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. Т. 27. No. 6. С. 52—75. DOI:10.17073/00213438-2021-6-52-75.

14. Wang Y., Huang Z., Hu W., Cai L., Lei C., Yu Q., Jiao Y. Preparation and characteristics of Ti3AlC2—Al3Ti/Al composite materials synthesized from pure Al and Ti3AlC2 powders. Mater. Charact. 2021. Vol. 178. P. 111298. DOI:10.1016/j.matchar.2021.111298.

15. Wang H., Huang Z., Yi J.,Xue Li X., Zhang J., Wang Y., Zhuang W., Yu Q. Microstructure and high-temperature mechanical properties of co-continuous (Ti3AlC2 + +Al3Ti)/2024Al composite fabricated by pressureless infiltration. Ceram. Int. 2022. Vol. 48. Iss. 1. P. 1230—1237. DOI:10.1016/j.ceramint.2021.09.208.

16. Федотов А.Ф., Амосов А.П., Латухин Е.И., Новиков В.А. Получение алюмокерамических каркасных композитов на основе МАХ-фазы Ti2AlC методом СВС-прессования. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. No. 6. С. 53—62. DOI:10.17073/0021-34382015-6-53-62.

17. Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р. Способ получения керамико-металлических композиционных материалов: Пат. 2733524 (РФ). 2020.

18. Umerov E.R., Amosov A.P., Latukhin E.I., Kichaev P.E., Novikov V.A. Fabrication of aluminum-ceramic skeleton composites based on titanium aluminide carbide using SHS process. Int. Symp. SHS. 2019. No. XV. P. 489—492. DOI:10.24411/9999-014A-2019-10180.

19. Латухин Е.И., Умеров Э.Р., Амосов А.П. Применение горения для синтеза пористого каркаса Ti3AlC2 с последующей самопроизвольной инфильтрацией расплавом алюминия для получения кермета Ti3AlC2—Al. В Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 23—25 июня 2021 г.). Самар. ун-т, 2021. Т. 2. С. 251—252.

20. Давыдов Д.М., Умеров Э.Р., Латухин Е.И., Амосов А.П. Влияние элементного порошкового сырья на формирование пористого каркаса МАХ-фазы Ti3AlC2 при получении методом СВС. Вектор науки Тольяттинского гос. ун-та. 2021. Vol. 3. P. 37—47. DOI:10.18323/2073-5073-2021-3-37-47.

21. Bazhin P.M, Kovalev D.Yu., Luginina M.A. Averichev O.A. Combustion of Ti—Al—C compacts in air and helium: A TRXD study. Int. J. SHS. 2016. Vol. 25. No. 1. P. 30—34. DOI:10.3103/S1061386216010027.

22. Материалы металлические. Преобразование величин твердости. DIN EN ISO 18265-2014 (дата опубл. 01.02.2014).