CC BY
17
УДК 536.74
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННОГО
КАРБИДОМ ТИТАНА АЛЮМОМАТРИЧНОГО СПЛАВА МЕТОДОМ СВС В РАСПЛАВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА УГЛЕРОДА Рыбаков Антон Дмитриевич, аспирант
(e-mail: [email protected]) Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе показана возможность получения композитов на основе систем Al и Al-5%Cu и Al-5%Cu с Na2TiF6, полученных методом СВС в расплаве, с применением углеродных нанотрубок в качестве источника углерода, а также структура полученных сплавов.
Ключевые слова: алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, композиционный сплав, карбид титана, УНТ, углерод.
Алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ) представляют интерес для современной промышленности из-за своих свойств, а также универсальности и достаточно простой методики производства. Армирование алюминиевой матрицы дисперсными, высокомодульными частицами TiC способствует формированию хороших механических свойств, как в нормальных условиях работы, так и в высокотемпературных ситуациях, сохраняя при этом как малый удельный вес, так и ряд иных отличительных свойств алюминия.
Существует ряд методик получения АМКМ, упрочненных частицами карбида титана. Тем не менее, ряд исследований [1-4] показывает, что жидкофазные методы in-situ значительно более эффективны. Среди них выделяется самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Для него характерны простота, энергоэффективность и высокая производительность. Принцип работы СВС основан на том, что высокоэкзотермическая шихта из исходных компонентов вводится в подогретый расплав алюминиевой матрицы, смесь затем нагревается, после чего в локальной точке запускается реакция между компонентами смеси. Далее, в ходе экзотермической реакции происходит ступенчатый нагрев всей шихты с последующим распространением реакции.
Ранее на базе Самарского государственного технического университета проводились опыты по получению АМКМ, армированных TiC [5-10]. Тем не менее, получение алюмоматричных композиционных сплавов системы Al-10%TiC не до конца позволило решить ряд важных вопросов, например, стабильность запуска процесса СВС в алюминиевом расплаве, обеспечение полного протекания СВС, однородное армирование частицами карбида титана всего сплава, проблема высокой пористости конечного продукта [28].
Одним из выходов из данной ситуации является применение иных форм углерода в исходной шихте для синтеза частиц ТЮ при помощи СВС в АМКМ. Среди таких форм углерода выделяются углеродные нанотрубки (УНТ). УНТ успели зарекомендовать себя в ряде исследований в создании армированных композитов [11-16]. На основании этих данных было решено исследовать, как УНТ повлияют на процесс СВС т-БЙиАМКМ, армированных частицами Т1С.
Было проведено три серии экспериментов: А2-03, А2-04 и А2-05. В А2-03 опыты проводились на чистой алюминиевой матрице. В А2-04 опыт был воспроизведен на основе сплава А1-5%Си. Заключительным экспериментом стал А2-05, в котором в состав исходной шихты А1-5%Си также была добавлена галоидная соль Ка2Т1Б6 с целью обеспечение более стабильного запуска реакции СВС.
Для приготовления СВС-шихты использовалась смесь из порошка титана и УНТ марки «Таунит» в стехиометрии 4:1 соответственно, исходя из термодинамических расчетов. Для получения образца АМКМ с массой 200 г. в качестве источника титана применялся порошок марки ТПП-7 массой 16 г., масса УНТ в шихте составила 4 г. Для экспериментов А2-04 и А2-05 использовалась прутковая медь. Компоненты шихты перемешивались в шаровой мельнице в течение 1 ч., после чего распределялись по брикетам из алюминиевой фольги.
Технология получения композита выглядела следующим образом: алюминий в тигле погружается в печь, после чего осуществлялся его нагрев до 950 °С и выдержка в течении 20 минут. Далее осуществляется загрузка шихты: брикеты погружаются под зеркало расплава по одному и выдерживаются там до инициации реакции СВС, которая занимает порядка 5-10 сек. По окончанию реакции расплав интенсивно перемешивается и погружается следующая навеска. Когда все брикеты были загружены, расплав разливается в форму и остужается на воздухе.
Изломы образцов представлены на рисунке 1.
1
'О-
I
I
а)
а)А2-03-01
ж Ш'Щ] ЩИ
А2- ом
в)
Рисунок 1 - Изломы образцов:
б) А2-04-01 в) А2-05-01
У образца А2-03-01 наблюдается матовый вид и своеобразный рельеф, что указываетна частичное упрочнение сплава,такжена изломенаблюдают-ся крупные включения непрореагировавшей шихты. Изломы А2-04-01 и
А2-05-01 такие включения отсутствуют, структура выглядит более равномерной с небольшим количеством мелких пор.
На рисунке2 представлена микроструктура синтезированных композитов.
д) е)
Рисунок 2 - Микроструктура образцов: а) А2-03-01; б) А2-03-01 с размерами зерен в) А2-04-01; г) А2-04-01 с размерами зерен; д) А2-05-01 с размерами зерен; е) А2-05-01 с размерами зерен;
В А2-03-01 частицы карбида титана распределены по объему расплава как в виде обособленных образований, так и виде агломератов. Размер отдельных зерен варьируется в пределах 100-500 нм. В А2-04-01 армирующая фаза ТЮ представлена в виде крупных глобулярных частиц, распределенных равномерно по объему расплава. Размер зерен исследованной области варьируется в диапазоне 236-760 нм. В А2-05-01 карбид титана представляет собой крупные глобулярные частица, равномерно расположенных по объему расплава. Размер зерен исследованной области варьируется в пределах 250-880 нм.
На рисунке 3 представлены МРСА синтезированных сплавов. Данные исследований в выбранных точках регистрируют наличие титана и углерода, из чего можно сделать вывод о формировании армирующей фазы ТЮ в конечном сплаве.
Т®|7Г»|
ЗЗОО-зооо • 2700-
¡500 • 1200
3
!
- *
д
-к 4 I —I- л —
ООО 1.00 2.00 ЗСЮ 4.00 5 00 6 00 7.00 8 00 9 00 10.00
103.30 100.00
В)
Рисунок 3 - МРСА образцов: а) А2-03-01; б) А2-04-01; в) А2-05-01;
Исследования показали, что применение УНТ позволяет синтезировать АМКМ, армированный частицами карбида титана. В дальнейшем плани-
руется добиться измельчения армирующей фазы близкой к показателям нано- (1-100 нм), исследовать влияние использования УНТ на механические свойства полученных образцов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90032.
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR, project number 19-38-90032
Список литературы
1. Панфилов А.В. Современное состояние и перспективы развития литых дискретно-армированных алюмоматричных композиционных материалов // Литейщик России. 2008. №7. С. 23-28
2. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Дискретно армированные композиционные материалы системы Al-TiC // Загот. пр-ва в машиностр. 2008. №11. С. 44-53
3. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. Новосибирск:: НГТУ, 2002.- 384 с.
4. Панфилов А.В., прусов Е.С. О получении и свойствах комплексно-армированных композиционных материалов с алюминиевой матрицей // Литейное производство, 2008. - №8. - С. 2-6
5. Луц А.Р., Амосов А.П. и др. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсной фазы карбида титана из смесей порошков в расплаве алюминия // Изв. ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 28-35
6. Амосов А.П., Луц А.Р. и др. Применение процессов СВС для получения in-situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмер-ными керамическими частицами: обзор // Изв. Вузов. Цветная металлургия. 2016. -№1.- С. 39-49
7. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминиевых сплавов // М.: Машиностроение. - 2008. - 175 с.
8. Nikitin V.I., Chmelevskich A.I. et al. SHS-usage for aluminum master alloy production with high modification property // First Int. Symp. on Self-Propagating High-Temperature Synthesis (23-28 September, 1991, Alma-Ata): Abstracts Book, p. 198.
9. Амосов А.П., Латухин Е.И., Луц А.Р., Титова Ю.В., Майдан Д.А. СВС алюмино-керамических композитов // Технологическое горение: коллективная монография / Под общей ред. С М. Алдошина и М.И. Алымова. М.: ИПХФ РАН и ИСМАН, 2018. C. 287315.
10. Nikitin V.I, Amosov A.P. et al. Research and Production of SHS Master Alloy for Manufacture Aluminum Alloys // Int. J. of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 1995. Vol. 4, № 1. P. 105-112.
11. Karl U. Kainer. Metal Matrix Composites. Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006
12. Rana R.S., Purohit R., Das S. Review of recent studies in Al matrix composites // Int. J. of Sci. & Eng. Research. 2012. Vol. 3. № 6. P. 1-16
13. Dongshuai Zhou, Feng Qiun, Qichuan Jiang. The nano-sized TiC particle reinforced Al-Cu matrix composite with superior tensile ductility // Mat. Sci. & Eng. 2015. A 622. Р. 189-193
14. Pramod S.L. Aluminum - based cast in-situ composites: a review / S.L. Pramod, Srinivisa R. Bakshi, B.S. Murty / J. of materials Eng. And Perfomance, 2015. - 24(6). - p. 2185-2207
15. Casati R., Vedani M. Metal Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles - A Review // Metals. 2014. No. 4. P. 65-83
16. Tjong S. Ch. Novel Nanoparticle-Reinforced Metal Matrix Composites with Enhanced Mechanical Properties // Adv. Eng. Mater. 2007. Vol.9, № 8. Р.639-652
Rybakov Anton Dmitrievich, PhD student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Luts Alfiya Rasimovna, Cand. Tech. Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
CARBON NANOTUBES USAGE IN ALUMINUM COMPOSITE ALLOY ARMORING WITH TITANIUM CARBIDE VIA SHS
Abstract. The paper presents possibility of synthesizing composite alloys based on Al, Al-5% Cu and Al-5%Cu with addition of Na2TiF6 systems via in-situ SHS by using CNT as carbon source.
Key words: aluminum, SHS, composite alloys, titanium carbide, CNT, carbon.
УДК 621.762.2 + 536.46
СВС НИТРИДА БОРА ИЗ СИСТЕМ «БОРНАЯ КИСЛОТА -АЗИД НАТРИЯ», «БОРНЫЙ АНГИДРИД - АЗИД НАТРИЯ» С ДОБАВЛЕНИЕМ АМОРФНОГО БОРА Сафаева Диана Радиковна, аспирант (e-mail: [email protected]) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: [email protected]) Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Проведен анализ способов получения нитрида бора. Определены условия синтеза порошка нитрида бора методом СВС из систем «борная кислота - азид натрия», «борный ангидрид - азид натрия» с добавлением аморфного бора. Установлено, что синтезированный нитрид бора имеет частицы пластинчатой и неправильной формы размером от 150 до 450 нм. Добавление бора в исходную шихту увеличивает выход целевого продукта, но размер частиц увеличивается.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, нитрид бора, азид натрия, борная кислота, борный ангидрид, аморфный бор.
Одной из важнейших характеристик нитрида бора является его химическая инертность и нетоксичность. Гексагональный нитрид бора имеет широкую область применения, благодаря тому, что остается химически инертным при температурах выше 2000 К, не смачивается расплавленными металлами и галоидными флюсами. Его используют для производства вы-
