Синтез MAX-фазы Ti2AlN реакционным спеканием в вакууме
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-25-33
Аннотация
Проведены исследования процесса синтеза MAX-фазы Ti2AlN спеканием в вакууме различных смесей порошков в зависимости от фазового состава исходных реагентов и режимов их термической обработки в вакуумной электропечи. На примере смеси порошков титана и нитрида алюминия в мольном соотношении Ti : AlN = 2 : 1 (состав 1) прослежена последовательность изменения фазового состава смеси при увеличении температуры изотермической выдержки длительностью 60 мин при t = 1100÷1500 °С с шагом 100 °С и определено значение температуры 1400 °С, при которой в продуктах спекания достигается максимальное значение содержания MAX-фазы Ti2AlN – 94 мас.%. При этой температуре изотермической выдержки для исходной смеси TiAl : TiN = 1 : 1 (состав 2) содержание MAX-фазы составило 93 мас.%. Наилучший результат по синтезу MAX-фазы (100 мас.% Ti2AlN) был получен для смеси Ti : Al : TiN = 1 : 1 : 1 (состав 3). На примере смеси данного состава массой 500 г при определенном режиме термовакуумной обработки экспериментально показана принципиальная возможность масштабирования процесса получения однофазного продукта состава Ti2AlN спеканием в вакууме. Эксперименты проводились с двумя типами образцов: с закрытой и открытой боковой поверхностью. К образцам с закрытой боковой поверхностью относились образцы в кварцевых трубках, заполненных исходной смесью порошков с насыпной плотностью, и образец массой 500 г, помещенный в молибденовый тигель с крышкой. Образцы с открытой боковой поверхностью – это цилиндрические таблетки, спрессованные из исходной порошковой смеси. Было показано, что закрытие боковой поверхности образца из смеси Ti : Al : TiN (состав 3) блокирует выход паров алюминия из порового пространства образца при нагреве, благодаря чему образуется только Ti2AlN.
Об авторах
А. В. Линде
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
канд. хим. наук, ст. науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»
142432, Московская обл., Ногинский р-н, ул. Академика Осипьяна, 8
А. А. Кондаков
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»
142432, Московская обл., Ногинский р-н, ул. Академика Осипьяна, 8
И. А. Студеникин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»
142432, Московская обл., Ногинский р-н, ул. Академика Осипьяна, 8
Н. А. Кондакова
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
мл. науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»
142432, Московская обл., Ногинский р-н, ул. Академика Осипьяна, 8
В. В. Грачев
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр., зав. науч.-иссл. лабораторией «Макрокинетики процессов СВС в реакторах»
142432, Московская обл., Ногинский р-н, ул. Академика Осипьяна, 8
Список литературы
1. Barsoum M., Brodkin D., El-Raghy T. Layered machinable ceramics for high temperature applications. Scri. Mater. 1997. Vol. 36. No. 5. P. 535—541. DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00418-6.
2. Barsoum M. MAX phases: Properties of machinable ternary carbides and nitrides. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, 2013. DOI: 10.1002/9783527654581.
3. Barsoum M.W., Radovic M. Elastic and mechanical properties of the MAX phases. Annu. Rev. Mater. Res. 2011. Vol. 41. P. 195—227. DOI: 10.1146/annurev-matsci-062910-100448.
4. Sokol M., Natu V., Kota S., Barsoum M. On the chemical diversity of the MAX phases. Trends Chem. 2019. Vol. 1. P. 210—223. DOI: 10.1016/j.trechm.2019.02.016.
5. Barsoum M., Ali M., El-Raghy T. Processing and characterization of Ti2AlC, Ti2AlN, and Ti2AlC0.5N0.5. Metall. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31. No. 7. P. 1857—1865. DOI:10.1007/s11661-006-0243-3.
6. Zhou Y., Sun Z. Electronic structure and bonding properties of layered machinable Ti2AlC and Ti2AlN ceramics. Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. No. 12. P. 12570. DOI:10.1103/PhysRevB.61.12570.
7. Wang Z., Liu J., Wang L., Li X., Ke P., Wang A. Dense and high-stability Ti2AlN MAX phase coatings prepared by the combined cathodic arc/sputter technique. Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 396. P. 1435—1442. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.183.
8. Jeitschko W., Nowotny H., Benesovsky F. Ti2AlN, eine stickstoffhaltige H-Phase. Monatsh. Chem. 1963. Vol. 94.No. 6. P. 1198—2000.
9. Luginina M.A., Kovalev D.Yu., Sytschev A.E. Preparation of Ti2AlN by reactive sintering. Int. J. SHS. 2016. Vol. 25. No. 1. P. 35—38. DOI: 10.3103/S1061386216010088/
10. Kovalev D.Yu., Luginina M.A., Sytschev A.E. Reaction synthesis of the Ti2AlN MAX-phase. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No. 3. P. 303—307. DOI: 10.3103/S1067821217030087.
11. Lin Z., Zhuo M., Li M., Wang J., Zhou Y. Synthesis and microstructure of layered-ternary Ti2AlN ceramic. Scr. Mater. 2007. Vol. 56. No. 12. P. 1115—1118. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.01.049.
12. Liu Y., Shi Z., Wang J., Qiao G., Jin Z., Shen Z. Reactive consolidation of layered-ternary Ti2AlN ceramics by spark plasma sintering of a Ti/AlN powder mixture. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. No. 5. P. 863—868. DOI: 10.3103/S1061386216010088.
13. Yan M., Mei B., Zhu .J, Tian C., Wang P. Synthesis of high-purity bulk Ti2AlN by spark plasma sintering (SPS). Ceram. Int. 2008. Vol. 34. No. 6. P. 1439—1442. DOI:10.1016/j.ceramint.2007.04.009.
14. Liu W., Qiu C., Zhou J., Ding Z., Zhou X., Du S., Han Y.-H., Huang Q. Fabrication of Ti2AlN ceramics with orientation growth behavior by the microwave sintering method. J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P.1385—1391. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.020.
15. Liu Y., Li Y., Li F., Cui H., Zhang L., Guo S. Synthesis and microstructure of Ti2AlN ceramic by thermal explosion. Ceram. Int. 2017. Vol. 43. No. 16. P. 13618—13621.
16. Chen W., Tang J., Lin X., Ai Y., Ye N. Formation mechanism of high-purity Ti2AlN powders under microwave sintering. Materials. 2020. Vol. 13. No. 23. P. 5356. DOI:10.3390/ma13235356.
17. Christopher S., Ernesto Ch., Cristina G.-G., Rosalía P., José A.J. Mangalaraja R.V. Study of the influence of sintering atmosphere and mechanical activation on the synthesis of bulk Ti2AlN MAX phase obtained by spark plasma sintering. Materials. 2021. Vol. 14. No. 16. P. 4574. DOI:10.3390/ma14164574.
18. Akhtar S., Roy Sh., Thu Tran T., Singh J., Anir S. Sharbirin, Kim J. Low temperature step annealing synthesis of the Ti2AlN MAX phase to fabricate MXene quantum dots. Appl. Sci. 2022. Vol. 12. No. 9. P. 4154. DOI: 10.3390/app12094154.
19. Li X., Gonzalez-Julian J., Malzbender J. Fabrication and mechanical performance of Ti2AlN prepared by FAST/SPS. J. Eur. Ceram. Soc. 2020. Vol. 40. P. 4445—4453. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.017.
20. Kondakov A.A., Studenikin I.A., Linde A.V., Kondakova N.A., Grachev V.V. Synthesis of Ti2AlN MAX-phase by sintering in vacuum. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 558. P. 012017. DOI: 10.1088/1757-899X/558/1/012017.
21. Закоржевский В.В., Боровинская И.П., Сачкова Н.В. Синтез нитрида алюминия в режиме горения смеси Al + AlN. Неорган. материалы. 2002. Т. 38. No. 11. С. 1340—1350.
22. Zakorzhevskii V.V., Kovalev I.D., Barinov Y.N. Self-propagating high-temperature synthesis of titanium nitride with the participation of ammonium chloride. Inorg. Mater. 2017. Vol. 53. P. 278—286. DOI: 10.1134/S002016851703013X.
23. Low I.M., Pang W.K., Kennedy S.J., Smith R.I. High-temperature thermal stability of Ti2AlN and Ti4AlN3: A comparative diffraction study. J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31. P. 159—166.
24. Yang J., Liao C., Wang J., Jiang Y., He Y. Reactive synthesis for porous Ti3AlC2 ceramics through TiH2, Al and graphite powders. Ceram. Int. 2014. Vol. 40. P. 6739—6745. DOI: 10.1016/j.ceramint.2013.11.136.
25. Zhou Z., Chen X., Yuan Y., Shi L., Jiang W., Yang B., Xu B., Liu D. A comparison of the thermal decomposition mechanism of wurtzite AlN and zinc blende AlN. J.Mater. Sci. 2018. Vol. 53. P. 11216—11227. DOI: 10.1007/s10853-018-2400-7.
Рецензия
Для цитирования:
Линде А.В., Кондаков А.А., Студеникин И.А., Кондакова Н.А., Грачев В.В. Синтез MAX-фазы Ti2AlN реакционным спеканием в вакууме. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;(4):25-33. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-25-33
For citation:
Linde A.V., Kondakov A.A., Studenikin I.A., Kondakova N.A., Grachev V.V. MAX phase Ti2AlN synthesis by reactive sintering in vacuum. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya). 2022;(4):25-33. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-25-33
Просмотров:
537
Послать статью по эл. почте 