CC BY
22
УДК 621.762
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ БОРОСОДЕРЖАЩЕЙ МАХ-ФАЗЫ МЕТОДОМ СВС Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрена возможность получения боросодержа-щей МАХ фазы с помощью СВС реакции.
Ключевые слова: МАХ фаза, СВС
В последние два десятилетия российские и зарубежные исследователи интенсивно тройные соединения на основе карбидов, нитридов и боридов, которые обладают рядом ценных качеств, таких как высокая твердость, износостойкость, жаростойкость. В частности, МАХ фазами называют соединения на основе карбидов и нитридов, которые сочетают в себе свойства металлов и керамики, что делает их ценным конструкционным материалом [1,2]. В настоящее время исследователи предпринимают активные попытки ввести в состав МАХ фазы атома бора для придания этим соединениям новых качеств, таких как, стойкость к истиранию [3], и вопрос о возможности введения бора в состав МАХ фаз на сегодняшний день до конца не изучен [1].
Одним из быстрых и мало затратных методов получения МАХ фаз является метод само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который применяется, например, в работе [4].
В настоящей статье рассмотрена возможность создания боросодержа-щей МАХ фазы с помощью СВС методик за счет замещения атомами бора атомов углерода в существующей кристаллической решетки МАХ фазы, то есть, иначе говоря, создания твердого раствора на основе существующей структуры тройного карбидного соединения. Для этого мы предлагаем проанализировать некоторые фазовые диаграммы и сделать вывод о возможности замещения атомов С в кристаллической решетке МАХ фазы.
Рассмотрим классическую СВС реакцию образования карбида титана методом СВС [5]
Ti + C = TiC +Q
В последующем карбид титана можно пропитать кремнием или алюминием, и получится МАХ фаза типа Ti-Al-С и Ti-Si-C [4].
Как известно, карбид титана (TiC) обладает достаточно широкой областью гомогенности от TiC05 до TiC10 (рисунок 1). Это соединение можно представить себе состоящим из подрешеток титана и углерода, вставленных друг в друга (рисунок 2). Следует отметить, что в кристаллической решетке карбида титана в случае нестехиометрического состава этого соединения, в кристаллической подрешетке атомов углерода находятся вакансии. И число этих вакансий может быть соизмеримо с числом атомов
углерода, например, при формуле карбида ТЮ05 (в этом случае, очевидно, что число вакансий равно числу атомов углерода в кристаллической под-решетке С).
Таким образом, с помощью СВС реакции мы можем создать карбид титана с достаточно большим числом вакансий в кристаллической решетке, и это будет использовано в дальнейшем для создания боросодержащей МАХ фазы.
С; V. ( по мессе)
Рисунок 1. Диаграмма титан-углерод [6]
Если в структуре карбида имеется достаточно большое количество вакансий, то, в принципе, их можно заполнить атомами другого вещества имеющего близкий радиус, например, атомами азота и создать карбонит-рид титана. Но можно (с теоретических позиций) также заполнить эти вакансии атомами бора и создать карбоборид титана. Тогда, пропитав карбо-борид титана алюминием или кремнием, мы (с теоретических позиций) можем получить боросодержащее тройное соединение на основании кристаллической решетки МАХ фазы, то есть, создать боросодержащую МАХ фазу.
Так как находящиеся в вакансиях кристаллической подрешетки атомов углерода атомы бора будут взаимодействовать с атомами титана, рассмотри диаграмму состояния титан-бор-углерод (рисунок 3).
Нашей задачей является, с одной стороны, сохранение кристаллической структуры карбида титана при добавлении атомов бора, с другой стороны, введение достаточно большого количества атомов бора в структуру, чтобы это отразилось на эксплуатационных свойствах полученного твердого раствора.
Как видно из диаграммы, титан и бор могут образовывать ряд соединений, таких как Т1Б, Т1Б2, Т13Б4. Определим, как эти соединения могут сочетаться с карбидом титана для сохранения его кристаллической решетки.
Согласно литературным данным [8], у карбида титана ТЮ и моноборида Т1Б может быть неограниченная растворимость, так как оба соединения имеют одинаковый тип кристаллической решетки (ГЦК) с близким значением параметра элементарной ячейки. Автор [8] прямо пишет, что в системе ТЮ-Т1Б возможно образование твердых растворов, в то время как ди-борид титана практически не растворяется в карбиде титана.
Следовательно, для получения боросодержащей МАХ фазы на основе кристаллической решетки карбида титана необходимо образование моно-борида титана при СВС реакции наряду с карбидом титана. Тогда можно ожидать, что произойдёт образование твердого раствора ТЮ-Т1Б на основе ГЦК кристаллической решетки, и затем этот твердый раствор при остывании смеси после СВС реакции пропитается, например, алюминием, и возникнет боросодержащая МАХ фаза типа ТьА1-(С,Б).
Как показывают литературные данные, образование моноборида титана при СВС реакции зависит от состава шихты, а именно, от соотношения ко-
личества атомов бора и титана [9]. При соотношении титана и бора 1:0.8 в продуктах СВС реакции содержится в основном моноборид титана.
Следовательно, опытные данные подтверждают наше предположение о том, что если взять определенную пропорцию атомов титана, бора и углерода, то вполне возможно получить карбоборид титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на первом этапе получения МАХ фазы и боросодержащую МАХ фазу после полного прохождения СВС реакции.
Предварительно проведенные нами опыты показали, что на дифракто-граммах продуктов реакции от смеси Ti+B+C c разным соотношением атомов титана и бора, наблюдаются сдвиги некоторых пиков. Это может свидетельствовать о том, что в результате реакции образовался твердый раствор замещения, так как, как известно, замена части атомов в МАХ фазе приводит к сдвигу пиков на дифрактограмме [1].
В дальнейшем планируется проведение исследований полученных продуктов СВС реакции с помощью других методов анализа и более точное определение соотношений атомов, приводящих к формированию боросо-держащего твердого раствора на основании кристаллической решетки МАХ фазы.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ регионального конкурса «рповолжьеа» (проект № 14-08-97066).
Список использованных источников
1.Barsoum MW. MAX phases - properties of machinable ternary carbides and nitrides. -Wiley, VCH, 2013. - 437 р.
2.Сметкин А.А., Майорова Ю.К. Свойства материалов на основе МАХ фаз // Вестник Пермского НИПУ. 2015. Т.15. №4. С.120-138.
3.Barsoum M.W. Microstructure and tribological properties of boronized Ti2AlC MAX surface // file:///C:/Users/AzerMETALOVED/ Downloads/CERI% 2013414.pdf
4. Сычев А.Е. и др. СВС в системах Ti-SI-C и Ti-Al-C / Современные технологии и методы неорганического материаловедения: сборник научных трудов. Тбилиси, 2015. С.99-106.
5. Мержанов А.Г. Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. - 336 с.
6. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3 т. / Под ред. Лякишева Н.П. - М.:Машиностроение, 1996-2000.
7. Кузьма Ю. Б., Чабан Н. Ф. Двойные и тройные системы, содержащие бор : справочник. - М. : Металлургия, 1990. - 318 с.
8. Гусев А.И. Фазовые равновесия в тройных системах M-X-X' и M-Al-X (M - переходный металл, X, X' - B, C, N, Si) и кристаллохимия тройных соединений // Успехи химии. 1996. №5(65). С. 407-451.
9. Лепакова O.K., Расколенко Л.Г., Максимов Ю.М. Исследование боридных фаз титана, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Неорганические материалы. 2000. Т.36. №6. С. 690-697.
Latukhin Evgeniy Ivanovich, Cand.Tech.Sci., docent
Samara State Technical University, Samara, Russia
AmosovEvgeniyAleksandrovich, Cand.Tech.Sci., docent
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia THE POSSIBILITY OF OBTAINING BORON-CONTAINING MAX-PHASES BY SHS
Abstract. This article describes the possibility of obtaining boron-containing MAX phases using SHS reactions.
Keywords: MAX-phase, SHS
УДК 669
ПОСТРОЕНИЕ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАФИНИРУЮЩИХ ФЛЮСОВ НА ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИТА Al-5%Cu-10%TiC МЕТОДОМ СВС Луц Альфия Расимовна, доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В статье приводится феноменологический анализ влияния добавок рафинирующих флюсов МХЗ и криолит на синтез алюмоматричного композиционного сплава Al-5%Cu-10%TiC методом СВС.
Ключевые слова: алюминий, карбид титана, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, шихта, флюс.
В современной металлургии наиболее перспективными методами получения композиционных сплавов являются жидкофазные методы, объединенные под общим названием in-situ. Из их общего многообразия наибольшее распространение получила технология, основанная на явлении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ^ВО), открытом в 1967 г. академиком А.Г. Мержановым и профессорами Боровинской И.П. и В.М. Шкиро. Учеными СамГТУ в течение последних двух десятилетий разработана и активно применяется технология, позволяющая реализовать процесс CВC в расплаве, в ходе которой реакция между частицами реакционно-активных порошков протекает в режиме горения за счет тепла, выделяемого жидким матричным расплавом. Таким образом, уже получены сплавы самых различных составов: Al-Ti, Al-Ti-B, Al-Zr, Al-TiC и т.д [1].
В процессе последних исследований [2,3] удалось получить композиционный сплав состава Al-5%Cu-10%TiC, причем в этом случае успешно реализованы одновременно два механизма упрочнения: 1) путем твердора-створного упрочнения за счет внедрения в алюминиевую матрицу порошка меди в количестве 5%; 2) путем синтеза вторичной фазы карбида титана в
