CC BY
45
УДК 621.762.2 + 536.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИДА ТИТАНА ПО ТЕХНОЛОГИИ СВС ИЗ СИСТЕМЫ «Al-Ti» Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент
(e-mail: titova600@mail.ru) Болоцкая Анастасия Вадимовна, студент (e-mail: abolotskaia@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрена технология СВС для получения алюмини-да титана. Представлены результаты экспериментально-теоретических исследований процесса синтеза порошков AlTi, Al3Ti, Ti3Al в системе «Al-Ti» в режиме горения. Определены параметры горения и синтеза. Проведен рентгенофазовый анализ синтезированных продуктов.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез; горение, алюминид титана, порошок.
Сплавы на основе интерметаллидов Al-Ti представляют значительный интерес для аэрокосмической и автомобильной промышленностей благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая температура плавления, низкая плотность, высокий модуль упругости, жаропрочность, стойкость к окислению и возгоранию [1].
Традиционные методы получения алюминида титана [2] основаны на внепечном протекании металлотермических процессов, однако их применение требует использования дорогостоящих тепловых добавок, не позволяет регулировать температуру и получить полное разделение шлаковой и металлической фаз.
В настоящей работе предлагается использовать энергосберегающую технологию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения интерметаллидов алюминида титана составов AlTi, Al2Ti, Al3Ti, AlTi3. Уравнения химических реакций получения указанных интерметаллидов выглядят следующим образом:
Al + Ti = AlTi, (1)
2Al + Ti = Al2Ti, (2)
3Al + Ti = AbTi, (3)
Al + 3Ti = AlTi3, (4)
Al + 4Ti = AlTi3 + Ti, (5)
2Al + 3Ti = 2AlTi + Ti, (6)
3Al + 2Ti = AbTi + Al, (7)
Синтез алюминида титана проводили в лабораторном реакторе СВС постоянного давления, за счет тепла экзотермической реакции.
Термодинамический анализ получения алюминида титана в режиме горения проводился в компьютерной программе «Thermo», разработанной в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. Результаты представлены на рисунках 1 и 2.
сс S X
OJ
о.
0 |_
го
о. >
I-
го о.
01
ее го
X U
tu т £ 1-
го VO го
£ <
2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0
М- ,
0
л
-250 ^ о
?
-500 *
X
-750
S
с
-1000 ■Л
го
1-
-1250 X m
CU
-1500 X
(LI
X
-1750 OJ ■5
m
T
-2000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Соотношение алюминия и титана в исходной смеси (Al/Ti)
—•—Температура — ■ — Энтальпия
Рисунок 1. Зависимость адиабатической температуры и изменения энтальпии реакции от соотношения алюминия и титана в исходной смеси
Рисунок 2. Зависимость состава продуктов реакции от соотношения алюминия и титана в исходной смеси
Из представленных данных (рис. 1) видно, что при увеличении отношения Al/Ti адиабатическая температура горения сначала стремительно возрастает, достигая максимума при Al/Ti = 1,00 (1518 К) и затем несколько снижается и остается постоянной до достижения Al/Ti =
3,00 (1435 К). Изменение энтальпии реакции практически не зависит от соотношения алюминия и титана в исходной смеси и варьируется от -75 до -186 кДж/моль.
Полученные данные о составе продуктов горения смесей (рис. 2) заметно отличаются от продуктов реакций по уравнениям (1)-(7). Так согласно данным программы «Thermo» интерметаллид AlTi образуется при всех соотношениях Al/Ti от 0,25 до 2,00, начиная с соотношения Al/Ti = 1,50, образуется интерметаллид Al3Ti, при соотношении Al/Ti от 0,25 до 0,67 также в продуктах реакции присутствует свободный титан.
В дополнение к теоретическим расчетам были проведены эксперименты по синтезу алюмнида титана по уравнениям (1)-(7). Фазовый состав продуктов синтеза определяли на автоматизированном рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA (рис. 3-9). Съемку рентгеновских спектров проводили с помощью Cu-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов 20 от 20 до 80 градусов со скоростью 2 град./мин. [3]. Полученные спектры обрабатывали с помощью специального пакета прикладных программ WinXRD. Качественный фазовый анализ осуществляли сравнением набора экспериментальных межплоскостных расстояний d/n со штрих-рентгенограммами базы данных Международного центра дифракционных данных ICDD PDF2.
Date: 05/27/Í6 10:13 Step : 0.020е Integration Time: О.600 Range : 20.000 - 80.000 a Cont. Scan Rate: 2.000 [b/min] _
Vert. Scale Unit: [CPS] Hora. Scale Unit: [deg]
и
00-006-0642 : Titanium Nitride[Osbornite, syn]/Ti N 03-065-8565 : Aluminum Titanium[@ä-Al Ti]/Al Ti 00-026-0039 : Aluminum Titanium/A13 Ti 00-009-0098 : Aluminum Titanium/Al Ti3 03-065-6231 : Titanium[@á-Ti]/Ti
LL
Рисунок 3. Фазовый состав продуктов горения смеси «Al + Ti»
В результате горения «А1 + ТЬ> образуется преимущественно алюминид титана состава А1Т (85 %) с небольшим количеством свободного титана и нитрида титана, а также незначительным содержанием интерметаллидов А13Т и АШ3.
Date: 05/27/16 10:43 Step : 0.020° Integration Time: 0.600 sec Range: 20.000 - 80.000° Cont. Scan Rate: 2.000 [°/min] _
Vert. Scale Unit: [CPS] Horz. Scale Unit: [deg] 03-065-2667 : Aluminum Titanium/Al3 Ti 00-006-0642 : Titanium Nitride [Osbornite, syn]/Ti N 00-005-0682 : Titanium[Titanium, syn]/Ti 01-072-9142 : Aluminum Titanium/Al2 Ti 01-079-2497 : Aluminum Nitride/Al N
Рисунок 4. Фазовый состав продуктов горения смеси «2А1 + ТЬ> Продукты горения смеси «2А1 + ТЬ> состоят из 5 фаз: алюминидов титана (А13Т и А12Т1), нитридов алюминия и титана (АШ и ТШ) и свободного титана. Содержание А13Т составляет ~90 %.
Date: 05/27/16 11:14 Step : 0.020° Integration Time: 0.600 sec Range: 20.000 - 80.000° Cont. Scan Hate: 2.000 [b/min] _
Vert. Scale Unit: [CPS] Horz. Scale Unit: [deg]
03-065-4694 : Aluminum Titanium/Al3 Ti
00-038-1420 : Titanium Nitride[Osbornite, syn]/Ti N 00-025-1133 : Aluminum Nitride/Al N
-Jy ■
_1LJ4------¿(ц_-k-j-—ff'1-
Рисунок 5. Фазовый состав продуктов горения смеси «3А1 + ТЬ>
Продукты горения смеси «3А1 + ТЬ> состоят из 3 фаз: алюминида титана (А13Т1) и нитридов алюминия и титана (АШ и ТШ). Содержание А13Т составляет ~90 %.
Date: 05/27/16 11:44 Step : 0.020° Integration Range: 20.000 - 80.000° Cont. Scan Rate: 2.000 [°/min]
0.600 sec Vert. Scale Unit: [CPS]
Horz. Scale Unit: [deg] 01-074-4579 : Titanium Alumi num.[@Titanium aluminide]/Ti3 Al 03-065-8565 : Aluminum Titanium[@a-Al Ti]/Al Ti 00-001-1197 : Titanium/Ti 01-087-0632 : Titanium Nitride[Osbornite, syn@titanium (III) nitride]/Ti N
'- ••■I '■-■••
I
U
M
У
Рисунок 6. Фазовый состав продуктов горения смеси «Al + 3Ti»
В результате горения «А1 + 3ТЬ> образуется преимущественно алюминид титана состава А1Т13 (80 %) с небольшим количеством интерметаллида АШ, свободного титана и нитрида титана.
Рисунок 7. Фазовый состав продуктов горения смеси «Al + 4Ti» Из рисунка видно, что при горении смеси образуется интерметаллид состава AlTi3, свободный титан, нитрид титана и сложный нитрид титана алюминия (Ti3AlN). Содержание целевого продукта - алюминида титана не превышает 50 %.
Date: 05/27/16 12:45 Step : 0.020е Integration Time: 0.600 . Range: 20.000 - 80.000" Cont. Scan Rate: 2.000 [Vmin] _
Vert. Scale Unit: [CPS] Horz. Scale Unit: [deg]
00-038-1420 : Titanium Nitride[Osbornite, syn]/Ti N 03-065-8565 : Aluminum Titanium[@ä-Al Ti]/Al Ti 00-018-0070 : Aluminum Titanium Nitride/Ti2 Al N 01-070-0354 : Aluminum Nitride [@aluminium nitride] /А1 N 01-072-5005 : Aluminum Titani\im/Al T13
IK^wL,—
J
Рисунок 8. Фазовый состав продуктов горения смеси «2Al + 3Ti»
Продукты горения смеси «2А1 + 3ТЬ> состоят из 5 фаз: алюминида титана (А1Т и А1Т13), нитридов алюминия и титана (АШ и Т1К) и сложного нитрида титана алюминия (Т12АШ). Содержание А1Т составляет ~85 %.
Date: 05/27/16 13:15 Step : 0.020° Integration Time: 0.600 sec Range: 20.000 - 80.000й Cont. Scan Rate: 2.000 [°/min] _
Vert. Scale Unit: [CPS] Horz. Scale Unit: [deg]
00-038-1420 : Titanium Nitride[Osbornite, syn]/Ti N 03-065-4694 : Aluminum Titanium/Al3 Ti 00-047-1177 : Aluminum Titanium/A12 Ti 01-071-3948 : Titanium/Ti 00-052-0859 : Aluminum Titanium/Al Ti3
УУ
u!
■I АЦ
-Kt—1-'
Рисунок 9. Фазовый состав продуктов горения смеси «3Al + 2Ti»
Из рисунка видно, что при горении смеси образуется интерметаллиды состава Al3Ti, Al2Ti, AlTi3, свободный титан и нитрид титана. Содержание алюминида титана Al3Ti составляет 90 %.
Таким образом, при горении различны смесей из числа исследуемых возможно получение порошков алюминида титана составов Al3Ti, AlTi, AlTi3, при этом чистота синтезированных целевых продуктов не ниже 90 %.
Список использованных источников
1. Bartolotta P.A., Krause D.L. // Proc. The Second Int. Symp. "Gamma Titanium Aluminides". TMS. San Diego, California, 1999. - P. 3.
2. Andreev D.E., Sanin V.N., Yukhvid V.I. SVS Metallurgy of Titanium Aluminides // Int. J. of SHS. 2005. Vol.14. No. 3. P. 219-234.
3. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. - М.: МИСИС, 1994. - 128 с.
Maydan DmitriyAleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: titova600@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia Bolotskaya Anastasiya Vadimovna, student (e-mail: abolotskaia@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia THE RESEARCH OF THE POSSIBILITY OF TITANIUM ALUMINIDE OBTAINING ON SHS TECHNOLOGY FROM THE Al-Ti SYSTEM
Abstract. The SHS technology to obtain a titanium aluminide is reviewed. The results of synthesis process researches of AlTi, Al3Ti, Ti^Al powders from the Al-Ti system in the combustion mode are presented. The burning and synthesis parameters are determined. The X-ray phase analysis of the synthesized products is carried out.
Key words: self-propagating high-temperature synthesis; combustion; titanium aluminide; powder.
УДК 621.762.2 + 536.46
ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС Майдан Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент, доцент (e-mail: mtm.samgtu@mail.ru) Илларионов Алексей Юрьевич, аспирант
(e-mail: larik99cam@mail.ru) Щелчкова Наталья Сергеевна, студент (e-mail: nat75196424@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Исследовано горение смеси порошков «кремний - азид натрия - гексаф-торсиликат аммония - углерод» в атмосфере азота. Определены условия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) композиции нанопорошка карбида кремния с нитевидными кристаллами нитрида кремния.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, азид натрия, кремний, алюминий, горение, нанопорошок, карбид кремния, нитрид кремния.
Керамические материалы, благодаря широкому диапазону их разнообразных физических и химических свойств, пользуются большим спросом в мире современных материалов. По сравнению с металлами керамика обла-
