НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБИДА ТИТАНА ТІС 0.33 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

The article has entered in publishing office 06.03.2013. Ed. reg. No. 1577

УДК 539.27

НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБИДА ТИТАНА TiQ.33

Хидиров И., Парпиев А. С, Гетманский В. В Институт ядерной физики АН Республики Узбекистан, Улугбек, Ташкент, 100214, Узбекистан, e-mail:

[email protected]

Показано, что путем спекания брикета из хорошо перемещенных порошков Ti и углерода высокой чистоты при температуре 1200 С в течение 24 ч и дальнейшей закалки в воде можно получить карбид титана состава TiC033, в котором атомы углерода статистически расположены в октаэдрических междоузлиях гранецентрированной кубической решетки Ti. Данный сплав имеет структуру типа NaCl (пространственная группа Fm3m) c параметром решетки а = 4.325 ± 0.002 А. Карбид титана данного состава оказался устойчивым при температурах Т<450 С, так как отжиг при температурах 400 0С и 450 0С по 24 суток не привел к структурному изменению. Следовательно, его можно использовать на практике при температурах Т<450 0С.

Ключевые слова: карбид титана TiC0.33, спекания, закалка, дифракция нейтронов.

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИК

ATOMIC ENERGY

Статья поступила в редакцию 06.03.2013. Ред. рег. № 1577

NEUTRON DIFFRACTION STUDY OF THE TITANIUM CARBIDE TiQ.33 I.Khidirov, A. S. Parpiev, V. V. Getmanskiy Institute of Nuclear Physics, Uzbekistan Academy of Sciences, Tashkent, 100214, Uzbekistan, e-mail: [email protected]

It is shown that by sintering good displaced powders of titanium(Ti) and carbon (C) at temperature of 1200 0C within 24 hours and further training in water can get alloy implementation of titanium carbide of composition the TiC0.33, in which the carbon atoms are statistically located in octahedral interstices of face centered cubic lattice of Ti. This alloy has NaCl type of structure (Fm3m space group)), the lattice parameter a = 4.325 ± 0.002 A. Titanium carbide of this composition is stable at temperatures T<450 C, as its annealing at temperatures of 400 C for 204 h and 450 0C for 24 days did not induce structural changes. Hence, it can be used in practice at temperatures T<450 0C.

Keywords: titanium carbide TiC033, sintering, training, neutron diffraction.

Карбид титана переменного состава ТЮХ со структурой типа ЫаС1 (пространственная группа -пр. гр. БшЗш) благодаря таким свойствам, как тугоплавкость, высокая прочность и коррозионная стойкость в агрессивных средах, широко применяется в современной технике, промышленности [1,2] и медицине [3]. В последнее время сильно нестехиометрический

гранецентрированный кубический (гцк) карбид титана ТЮх нашел широкое применение, особенно в медицине, из-за устойчивости к воздействию биологической среды, отсутствия токсичности и канцерогенности, стойкости к усталостным разрушениям, возможности получения модуля упругости, близкого к модулю упругости костной ткани, а также невысокой себестоимости [4]. Нестехиометрический гцк карбид титана ТЮХ способен длительно "сосуществовать" совместно с живым организмом - биосовмещаться. Поэтому он

используется для изготовления имплантатов для лечения различных видов травм и увечий различных частей человеческих организмов [4]. Несмотря на это, вопрос о нижней границе области гомогенности гцк фазы карбида титана ТЮХ все ещё остается открытым. В современной литературе нет единого мнения по этому вопросу [5]. Согласно данным [5], нижняя граница области гомогенности гцк карбида титана ТЮХ у разных авторов лежит в интервале концентрации х = 0.33-0.49. Эти различия могут быть обусловлены либо термодинамическим неравновесным состоянием образцов, либо примесью различного рода и различного количества, либо отличающейся чувствительностью методов исследований. Не проведено исследование ТЮХ на нижней границе области гомогенности методом дифракции нейтронов. Дифракция нейтронов наиболее чувствительна для исследования положения легких атомов в кристаллической

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2/2 (120) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Хидиров И., Парпиев А. С, Гетманский В. В НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБИДА ТИТАНА TiCo.:

решетке металлов в связи с тем, что амплитуда когерентного рассеяния нейтронов на ядрах атомов титана и углерода сравнимы, и они равны Ьи = -0.34х10"4 А и Ьс = 0.665х10-4 А, соответственно [6]. Кроме того, представляет интерес изучение состава ТЮ0.33 на нижней границе области гомогенности гцк карбида титана ТЮХ в том плане, что этот состав соответствует стехиометрии Т13С. При данной стехиометрии может образоваться упорядоченная фаза, соответствующая стехиометрии 3:1, как это наблюдается в системах сплавов внедрения Бе-С[7] и ТьО [8]. В связи с вышеотмеченными вопросами целью данной работы является синтез карбида титана состава ТЮ0.33 из наиболее чистых исходных материалов и его исследование методом дифракции нейтронов.

Образец Т1С0 33 получили методом спекания спрессованного брикета из порошков углерода марки «очень чистый» и титана марки ПТЭМ с чистотой 99,98 %. Из тщательно перемещенной смеси порошков титана и углерода в соответствующей пропорции приготовили брикет под давлением 10 МПа. Термообработку образца проводили в вакуумированной и запаянной кварцевой ампуле в печи типа 8МОЬ. Спекание брикета проводили при температуре 1200 0С в течение 24 ч, а затем образец закалили в воде.

Согласно данным химического анализа, состав приготовленного образца был ТЮ0.33 ± 0,01. Согласно рентгенофазовому анализу, после гомогенизирующего отжига образец - однофазный и

однородный по составу, и имеет гцк структуру типа №С1 (пр. гр. Бш3ш) с параметром решетки а = 4.325 А (Да = 0.002 А). Нейтронограмму образца снимали при комнатной температуре на нейтронном дифрактометре, установленном на тепловой колонне ядерного реактора ВВР-СМ ИЯФ АН РУ (X = 1,085 А). Нейтронограмму обрабатывали методом Ритвельда полнопрофильного анализа [9].

Нейтронограмма образца Т13С, полученного путем закалки от температуры 1200 0С представлена на рис. 1. Удовлетворительное согласие между экспериментальными и расчетными интенсивностями нейтронодифракционных

максимумов можно получить только в том случае, если предположить, что в карбиде титана атомы титана расположены в позиции 4(а), а атомы углерода статистически - в октаэдрических междоузлиях - 4(Ь) в рамках пр. гр. БшЗш (табл. 1). Отжиг образца при температурах 450 - 350 0С в течение 48 ч. не приводил к образованию тетрагональной упорядоченной фазы типа Бе3С или гексагональной упорядоченной фазы типа Т13О и к изменению нейтронодифракци-онной картины. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что нижняя граница области гомогенности гцк карбида титана Т1СХ при температуре 1200 0С лежит при составе х=0.33 и он устойчив при температурах Т<450 0С.

Рис. 1. Нейтронограмма карбида титана состава Т13С: точки - эксперимент, сплошная линия -расчет, Д - разность экспериментальных и расчетных значений интенсивностей. Над дифракционными максимумами проставлены индексы Миллера Ък1 отражающих плоскостей кристаллической решетки в рамках пр. гр. Бш3ш.

Fig. 1. Neutron diffraction patterns of the titanium carbide Ti3C: (sp. gr. Fm3m: the solid line - calculated; dots - experimental; A - difference curve (experimental subtracted calculated results). Above diffraction maxima indicated are the Miller hkl indices of reflecting planes of the crystal lattice in the frame of Fm3m space group.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2/2 (120) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Хидиров И., Парпиев А. С, Гетманский В. В НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБИДА ТИТАНА ТЮа3з

Таблица 1.

Структурные характеристики карбида титана TiC033.

Table 1.

_Structure characteristics of the titanium carbide TiC033.

№ Атом Позиция Координаты Количество An

х У z атомов, n

1 Ti 4 (a) 1/2 1/2 1/2 4 0,00

2 C 4 (b) 0 0 0 1.32 0,079

Rp =4,5 % ; Rw =2,8; Rp =2,2; B = 0,61 ± 0,03 Â2

Примечание. R - факторы недостоверности определения кристаллической структуры, В - эффективный тепловой фактор, обусловленный тепловыми колебаниями атомов.

Note. R are factors unreliability of the determination of the crystal structure, В is effective thermal factor of atoms, caused by thermal vibrations of atoms.

Таким образом, получен гцк карбид титана состава Т1С0.33 из порошков Т1 и углерода высокой чистоты путем спекания при температуре 1200 0С в течение 24 ч и дальнейшей закалки в воде. В полученном карбиде титана атомы углерода статистически расположены в октаэдрических междоузлиях гцк матрицы Т1 (пр.гр. Бт3т, а = 4.325 А). Отметим, что стехиометрический гцк карбид титана Т1С образуется при температуре Т>1500 0С [10]. Как показывают результаты данной работы, температура образования сильно нестехиометрического кубического карбида титана гораздо ниже, чем температура образования стехиометрического кубического карбида титана. Показано, что карбид титана состава Т13С устойчив при температурах Т<450 0С. Следовательно, при таких температурах он может быть использован на практике. Исследование карбида титана данного состава выше температуры 450 0С и особенности фазовых превращений на нижней границе области гомогенности гцк карбида титана Т1СХ будет продолжены.

Работа выполнена в рамках гранта ФИ АН РУз № Ф2-ФА-Ф119.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кипарисов С. С., Левинский Ю. В., Петров А. П. Карбид титана: получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987.

2. Изготовление изделий из безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида

титана // www.edusearch.ru/vd7e139e1.html

3. Сердечно-сосудистый набор с покрытием из карбида титана // www.rmed.ru/ item_info/ 22030.html.

4. Байриков И. М., Амосов А.П., Тюмина О.В. и др. Экспериментальная оценка био-совместимости нового СВС - материала на основе карбида титана со сквозной порис-тостью на культурах мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека // Вопросы челюстнолицевой, пластической хирургии, имплантологии и клинической стоматологии. 2011. № 1-2. C. 23-27.

5. Гусев А. И. Превращения беспорядок-порядок и фазовые равновесия в сильно нестехиометрических соединениях. // Успехи физических наук. 2000. Т. 170, № 1. С. 3-40.

6. Bacon G. E. Neutron Diffraction. Oxford: Clarendon Press. 1975.

7. Баррет Ч. С., Массальский Т. Б. Структура металлов. Часть 1. М: Металлургия, 1984.

8. Корнилов И. И. Титан. М. : Москва, 1975.

9. Young R. A., Wilas D. B. Profile Scope Functions in Rietveld Refinements // J. Appl. Cryst., 1982. Vol. 15, p. 430 - 438.

10. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М.: Мир, 1974.

nil

— TATA — LXJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2/2 (120) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013