CC BY
25
УДК 669
ОБРАЗОВАНИЕ И ВЛИЯНИЕ ПОБОЧНЫХ ФАЗ Al4C3, Al3Ti НА ПРОЦЕСС СВС КОМПОЗИЦИОННОГО СПЛАВА Al-10%TiC Махонина Юлия Владимировна, студент
(e-mail: [email protected]) 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 статье приводится термодинамический анализ температурных интервалов образования и существования побочных фаз Al4C3 и Al3Ti при проведении процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системе Al-10%TiC в присутствии галоидных солей Na3AlF6 и Na2TiF6.
Ключевые слова: карбид титана, алюминий, шихта, флюс, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Производство алюмоматричных композиционных сплавов является важным направлением развития науки [1]. Из множества разработанных способов их получения наиболее простым, доступным и экономически целесообразным является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В ранних работах была приведена технология СВС композиционного сплава Al-TiC [2-4], отличающегося высокой износостойкостью и коррозионной стойкость при малой удельной массе. Также в предыдущих исследованиях было подробно рассмотрено влияние галоидных солей Na3AlF6 и Na2TiF6 на структурообразование сплавов системы Al-TiC [5,6]. На основании построенной феноменологической модели химической стадийности протекающих реакций было показано, что присутствие солей оказывает значительный рафинирующий эффект и их наличие способствует получению качественных композиционных сплавов. Однако, в некоторых зарубежных исследованиях [7-13] сообщается, что введение солей может быть причиной наличия побочных фаз Al4C3 и Al3Ti, негативно влияющих на конечные свойства сплава. Поэтому целью данного исследования было поставлено проведение термодинамических расчетов по исследованию возможности образования и температурным интервалам существования фаз Al4C3 и Al3Ti при проведении СВС сплава Al-TiC в присутствии солей Na3AlF6 и Na2TiF6.
Исследования проводились в предположении ввода в расплав алюминия шихты, состоящей из порошков титана и углерода, а также солей Na3AlF6 и Na2TiF6 в составе 1-10% от массы шихты. При расчетах применялся комплекс программ "THERMO", разработанный в Институте структурной
макрокинетики и проблем материаловедения (г. Черноголовка) [14]. Результаты расчетов приведены на рисунках 1,2.
0,35
0,3
ь
л о м 0,25
1т 0,2
о
<0 т 0,15
ес
ич л 0,1
К
0,05
0
0,1%Ма3Д!Р6
0,5%Ма3Д!Р6
1%№3Д!Р6
2%Ма3Д!Р6
5%Ма3Д!Р6
10%Ма3Д!Р6
273 373 473 573 673 773 873 973 1073 Начальная температура системы, К
а
0,35
0,1%Ма2ИР6
0,5%Ма2ИР6
1%Ма2ИР6
2%Ма2ИР6
5%Ма2ИР6
10%Ма2ИР6
273 373 473 573 673 773
873 973 1073
Начальная температура системы, К
б
Рисунок 1 - Изменение содержания фазы Al3Ti в присутствии солей: а - Ш3Д!Р6; б - Na2TiF6
На полученных графиках видно, что указанные фазы могут образовываться уже при самых низких температурах системы, однако далее происходит их распад в температурных интервалах, незначительно изменяющихся в зависимости от вида соли: 573-773 К для фазы Al3Ti и 473-673 К для фазы Al4C3. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать предположение о порядке химических реакций, происходящих в процессе синтеза фазы карбида титана.
0,1%Ма3Д!Р6
0,5%Ма3Д!Р6
1%№3Д!Р6
2%№3Д!Р6
5%№3Д!Р6
10%Ма3Д!Р6
273 373 473 573 673 773 873 973 1073 Начальная температура системы, К
а
0,12
0,1%Ма2ИР6
0,5%Ма2ИР6
1%Ма2ИР6
2%Ма2ИР6
5%Ма2ИР6
10%Ма2ИР6
273 373 473 573 673 773 873 973 Начальная температура системы, К
1073
б
Рисунок 2 - Изменение содержания фазы Л14С3 в присутствии солей: а - Ка3ЛШ6; б - Ка2Т1Р6
Частица титана, находящаяся в расплаве, представляет собой пористый агломерат, который первоначально вступает во взаимодействие с алюминием и образует на пограничных слоях интерметаллидную фазу Л13Т1. Вместе с этим, в расплаве, прилегающем к частице, осуществляется образование карбида алюминия Л14С3. Этот же карбид алюминия образуется и при взаимодействии слоя Л13Т с находящимся вокруг углеродом. Далее, по мере увеличения коэффициента диффузии, запускается интенсивная фаза СВС, в ходе которой происходит экзотермическая реакция образования карбида титана. Однако уже при температурах 573-673 К в системе с Ка3ЛШ6 и при 473-673 К в системе с солью Ка2Т1Б6 начинается распад этих соединений. Следует отметить, что температуры плавления у соединений Л14С3 и Л13Т составляют 1400°С и 1350°С соответственно, поэтому их рас-
пад является косвенным доказательством высоких адиабатических температур, достигаемых в системе в процессе СВС.
Все протекающие реакции можно условно разбить на три группы. Первоначально, при начальных температурах системы 573 К (в предположении адиабатичности системы внутренняя температура в этот момент может достигать значений 900-1000 К), идет образование фаз Al3Ti и Al4C3 согласно простым химическим уравнениям:
Ti + 3Al = AbTi (1)
3C + 4Al = AI4C3 (2)
Однако далее, уже в диапазоне температур системы 573-773 К, происходит полное разложение этих промежуточных фаз и одновременный синтез целевой фазы TiC:
ALA = 4Al + 3C (3)
AbTi = 2 Al + AlTi = 3Al + Ti (4)
Ti + C = TiC (5)
Данный механизм образования интерметаллида Al3Ti и дальнейший его распад с получением фазы TiC, также был рассмотрен китайскими учеными в работах [8,9]. Причем их вывод сделан на основании серии экспериментов, а в данном исследовании приведенная модель подтверждается теоретическими термодинамическими расчетами. Следует отметить, что распад фазы Al3Ti, имеющей иглообразную форму и отличающейся повышенной хрупкостью, является благоприятным фактором [15,16].
Касательно фазы Al4C3 полученные данные также согласуются с результатами исследования [17], в котором значения энергии Гиббса (AG°T) использовали для оценки химического сродства реагирующих веществ, а также для расчета значений константы равновесия соответствующих реакций. Анализ полученных зависимостей показал, что при температурах выше 1000 К исключается возможность образования карбида алюминия, который является гидрофильным и снижает адгезионную связь наполнителя и матрицы [18-20]. Таким образом, результаты данного исследования показали, что при проведении высокотемпературного процесса CBC в системе Al-TiC вероятность присутствия побочных фаз Al4C3 и Al3Ti в составе конечного композиционного сплава крайне мала.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1748-630695/18.
Список литературы
1. Портной К.И., Бабич Б.Н. Дисперсноупрочненные материалы.- М: Металлургия, 1974.- 199 с.
2. Прусов Е.С., Панфилов В.А., Кечин В.А. Влияние условий плавки и литья алю-моматричных нанокомпозитов на структуру литых заготовок // Литейщик России. 2017. №.4. С. 10-15.
3. Амосов А.П., Никитин В.И., Никитин К.В., Рязанов С. А. Научно-технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. №. 8. С.3-10.
4. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Применение процессов CВC для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана: Обзор // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. № 1. С. 39-49.
5. Луц А.Р., Латухин Е.И. Экспериментальное исследование воздействия рафинирующих флюсов на процесс получения наноструктурного композита Al-5%Cu-10%TiC методом СВС / Современные материалы, техника и технологии, 2016, № 3(6), с. 68-73.
6. Луц А.Р. Построение феноменологической модели воздействия рафинирующих флюсов на процесс получения наноструктурного композита Al-5%Cu-10%TiC методом СВС / Современные материалы, техника и технологии, 2016, № 3(6), с. 63-68.
7. Utigart T.A., Friesen K., Roy R.R., Lim J., Silny A., Dupuis C. The Properties and Uses of Fluxes in Molten Aluminum Processing // JOM. 1998. Vol.5. - pp. 38-43.
8. Song M.S., Huang B., Zhang M.X., Li J.G. Study of formation behavior of TiC ceramic obtained by self-propagating high-temperature synthesis from Ai-Ti-C elemental powders // Int. J. Refractory Met. Hard. Mater. 2009. Vol. 27. - pp.584-589.
9. Song X., Zhang J., Li L., Yang K., Liu G. Correlation of thermodynamics and grain growth kinetics in nanocrystalline metals // Acta Mater. 2006. Vol. 54, No. 20. - pp. 5541— 5550.
10. Lecatou A., Karantzalis A.E., Evangelou A. Aluminum reinforced by WC and TiC nanoparticles (in-situ): Microstructure, wear and corrosion behavior // Mat. & Design. 2014. Vol. 65. pp. 1121-1135.
11. Fallahdoost H., Nouri A., Azimi A. Dual Functions of TiC nanoparticles on tribological performance of Al/grafite composites // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2016. Vol. 93. pp.137-144.
12. Casatti R, Vedani R. Metall Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles - A Review// Metals, 2014. № 4. Р. 65-83.
13. Gurvich L.V. Thermodynamic properties of individual substances: Handbook.: Vol. 3.: Elements B, Al Ga, In, Tl, Be, Mg, Ca, Sr, Ba and their compounds. Part two / Editor and senior author prof. L.V. Gurvich. - Florida: CRC Press, Inc., 1994.380 p.
14. Ермошкин А.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез литых алюмоматричных композиционных материалов, армированных наночастицами карбида титана. Автореф. дис. канд. техн. наук: 01.04.17 / Самара: Самар. Гос. Техн. ун-т, 2015. - 17 с.
15. Макаренко А.Г., Никитин В.И., Кандалова Е.Г. Термодинамический анализ процесса СВС при получении композиционных алюминиевых сплавов // Литейное производство. 1999. №1. С. 38-39.
16. Амосов А.П. Литые СВС-композиты // Литейное производство. 1999. №1. С. 3637.
17. Бабкин, В.Г. Литые металломатричные композиционные материалы электротехнического назначения / В.Г. Бабкин, Н.А. Терентьев, А.И. Перфильева // Журнал Сибирского федерального университета. 2014. Т. 7. №4. С. 416-423.
18. Левашов Е.А., Рогачев А. С., Курбаткина В.В. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / МИСиС, 2011, p. 377.
19. Рязанов, С.А. Метастабильные состояния гетерогенных систем // Вестник Сам-ГТУ, сер. техн. науки. 2006. №40. С. 120-128.
20. Чернышев, А.П. Термоактивируемые физические процессы с размерными эффектами в твердом теле [Текст]: автореф. дис на иск. учен. степ. д-ра.физ.-мат. наук: 01.04.07 / Алтайский гос. тех. ун-т. — Барнаул, 2014. — 44 с.
Makhonina Yuliya Vladimirovna, Student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Rybakov Anton Dmitrievich, Graduate Student
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
Luts Alfiya Rasimovna, Associate Professor
(e-mail: [email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
EDUCATION AND INFLUENCE OF ADVERSE PHASES OF AL4C3, AbTi ON SHS OF Al-10% TiC COMPOSITE ALLOY
Abstract. The thermodynamic analysis of the temperature intervals for the formation and existence of Al4C3 and Al3Ti side phases during the self-propagating high-temperature synthesis in the Al-10% TiC system in the presence of halide Na3AlF6 and Na2TiF6 is given in the article.
Key words: aluminum, titanium carbide, self-propagating high-temperature synthesis, charge, flux.
