CC BY
16
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF ALLOYING ELEMENTS AND IMPURITIES ON THE PROPERTIES OF THE INTERFACE SURFACES IN ALUMINIDES
Abstract. It is shown that the elements B, Si, P, Cr, Ni, Zr andMg with certain segregation energies (by the method of density functional theory) enrich the grain boundary (GZ), and for B, Si, P, Cr and Ni, the insertion positions are preferred, andfor Zr and Mg, the positions are substitutions. The splitting energy of GZ is calculated. To determine the change in the work on the destruction of GZ aluminum when adding atoms of an alloying element to it, the parameter n is introduced.
Keywords: grain boundary fragility, heterogeneity, segregation energy, cohesion force, correlation of the properties of GZ and alloying elements.
УДК 666.775-798.2
ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ Si3N4-TiN Сенина Алина Сергеевна, студент (e-mail: senina2002alina@mail.ru) Кондратьева Людмила Александровна, д.т.н., профессор (e-mail: schiglou@yandex.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В статье приведен обзор методов получения нитридной композиции Si3N4-TiN. Описаны достоинства и недостатки каждого метода.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, нитрид кремния, нитрид титана.
Нитрид кремния (Si3N4) - неорганическое химическое соединение, представляющее собой соединение кремния и азота. Это материал серого цвета, твердость которого сопоставима с твердостью алмаза. Также нитрид кремния обладает особенной устойчивостью к высоким температурам, высокой ударной вязкостью, высокой ползучестью, коррозионной стойкостью. Существуют три кристаллографические структуры Si3N4 - а, в и у. Наиболее распространенными и часто используемыми являются a-Si3N4 и P-Si3N4, они могут быть произведены при обычном давлении. P-Si3N4 является основной фазой, используемой в керамике. y-Si3N4 может быть произведена только при высоких давлениях и температурах и является наиболее сложной.
Керамика из нитрида кремния обладает высокой твердостью, износостойкостью, поэтому она используется там, где возникает сильное трение и износ.
Нитрид титана (TiN) - химическое соединение титана с азотом. Это желто-коричневый материал, в компактном состоянии приобретает золотистую окраску.
Керамические материалы на основе титана обладают высокой стойкостью к тепловому удару и высокой ползучестью, что позволяет использовать эти материалы в качестве высокотемпературных. Кроме того, TiN имеет высокую температуру плавления и обладает такими уникальными свойствами как высокая коррозионная стойкость, износостойкость, твердость, жаропрочность.
Композиты системы Si3N4-TiN представляют интерес для применения в качестве тонких нанокристаллических пленок, материалов для режущего инструмента, электропроводного материала, который способен к электроимпульсной обработке.
За последнее годы в России были проведены исследования по разработке композитов на основе нитрида кремния и нитрида титана, в которых данные соединения, могут являться матрицей, а также армирующим наполнителем в виде наночастиц или дискретных волокон, усов.
Известно, что керамические композиты Si3N4-TiN возможно получать различными способами, в том числе с использованием TiSi2 [1] или модифицированным золь-гель-методом порошков Si3N4 наночастицами TiO2 с последующим их азотированием [2, 3].
Композитам Si3N4-TiN в последнее время уделяется большое внимание из-за возможности электроэрозионной обработки.
Керамика Si3N4-TiN также может быть успешно получена такими методами, как горячее прессование (HP) и искровое плазменное спекание (SPS) [4]. Однако у этих методов есть один значительный недостаток. В них используются жаропрочные графитовые пресс-формы, которые достаточно дорого стоят, при этом быстро изнашиваются. Помимо этого, при горячем прессовании используется высокое давление.
При спекании образцов композитов Si3N4-TiN в прессе горячего прессования (1600-1800 °С), Si3N4 смешивали со спекающей добавкой алюмината кальция, а затем добавляли металлический титан. Керамике Si3N4-TiN со спекающей добавкой алюминатов кальция характерно плотное срастание кристаллитов Si3N4, за счет этого происходит увеличение прочности образцов.
Технология искрового плазменного спекания - это достаточно новая технология спекания, которая значительно повышает спекаемость материалов. Используя относительно низкие температуры и короткое время, данная технология позволяет довольно быстро спекать материалы, что расширяет возможности разработки новых материалов и улучшения их свойств.
Существенным отличием метода искрового плазменного спекания от традиционных методов, например, горячего прессования, является режим нагрева. Материалы, спекаемые методом горячего прессования, могут нагреваться только за счет теплопроводности от контейнера.
В методе искрового плазменного спекания в качестве исходных материалов используются Ti и Si3N4. Три образца по 5, 10 и 15 мас. % наноча-
стиц Si3N4 в течении двух часов смешивали с порошками Ti путем измельчения в среде этанола. Процесс искрового плазменного спекания протекал при температуре 1250 °С [4]. Композиты, изготовленные методом SPS, обладают высокой твердостью и хорошей обрабатываемостью.
Нитридная композиция Si3N4-TiN может быть получена из высокодисперсных порошков при температурах 1500-1900°С и высоких (до 4 ГПа) давлениях с использованием спекающих добавок Y2O3-Al2O3 [5]. Для приготовления композиции порошки измельчают в шаровой мельнице в течение 24 часов, затем сушат в роторном испарителе при 90 °С. После сушки получают гранулы путем одноосного и холодного изостатического прессования. Процесс спекания проводится в графитовой печи сопротивления.
Нанокомпозиты Si3N4-TiN могут быть получены методом искрового плазменного спекания при 1600 °С из таких нанопорошков, как ß-Si3N4 и TiN.
Электропроводящие композиты Si3N4-TiN также могут быть изготовлены и методом реакционного связывания in situ и последующим спеканием в атмосфере N2.
Для синтеза композитов Si3N4-TiN в качестве исходных компонентов применялись Si и TiN, средний размер частиц которых составлял около 10 и 2,5 мкм соответственно. Порошки были тщательно перемешаны в этаноле с использованием шаровой мельницы. Сушка проводилась при перемешивании на горячей плите. При увеличении содержания TiN в композиции значения твердости и удельного электрического сопротивления уменьшались.
Нитридные композиции Si3N4-TiN можно получать ex-situ механическим смешиванием готовых нанопорошков Si3N4 и TiN. Однако простое механическое смешивание порошков довольно часто не позволяет достичь равномерного распределения наноразмерных частиц и после спекания материал может получиться недостаточно прочным, анизотропным и пористым. Более равномерное распределение наночастиц достигается в случае применения in-situ методов.
Одним из перспективных in-situ методов получения нитридных композиций является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) [6, 7]. Si3N4-TiN без дополнительных фаз был получен из исходных материалов Si3N4 и Ti5Si3 именно методом СВС. Данный метод был разработан в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения (ИСМАН). В основе метода лежит способность высокоэкзотермических реакций быть самоподдерживающимися, вследствие чего они энергетически эффективны. Сущность метода СВС заключается в способности порошкообразных элементов в определенных сочетаниях воспламеняться при местном нагреве. Далее волна горения распространяется по всему объему реагирующей системы.
Таблица 1 - Обзор методов получения нитридной композиции 8ь,Ы4-Т1Ы
№ п/п Название метода получения Исходные компоненты Тем-ра синтеза, Т, °С Достоинства Недостатки
Снижение тем-
1 Золь-гель метод ТЮ2 1300-2100 пературы и увеличение интенсивности процесса Высокая стоимость сырьевых материалов
Плотное сра-
стание кристал-
2 Метод горячего прессования Т1 1600-1800 литов нитрида кремния, что обеспечивает Энергоемкость, многостадий-ность, дорогое
увеличение прочности образцов оборудование
Равномерное
распределение
тепла по образ-
3 Искровое плазменное спекание Т1 1250 цу, удобство использования, короткое время рабочего цикла, высокая твердость продукта Дорогое оборудование
Дорогое обору-
дование, исполь-
зование дорого-
стоящих чистых
порошков,
4 Искровое плазменное спекание а^з^, Т1К, У20з, А120З 1500-1900 Однородная микроструктура ипользование активирующих добавок, невозможность контролировать интенсивную рери-сталлизацию при процессе спекания
5 Искровое плазменное спекание Р^з^, Т1К 1600 Высокая твердость продукта Дорогое оборудование
Продолжение таблицы 1
№ п/п Название метода получения Исходные компоненты Тем-ра синтеза, Т, °С Достоинства Недостатки
Самораспростра- Низкая энерго- Требование высокой экзотер-мичности реакции взаимодействия исходных порошковых реагентов
6 няющийся высокотемпературный синтез (СВС) Т15&3 800-1250 затратность, высокая произ-во-дительность
Само-
распростра-
7 ющийся высо-котем-пературный синтез с использованием азида натрия и галогенидов (СВС-Аз) йзЩ Т1, NN3, (№)281Гб 600-1100 Низкие температуры синтеза, наличие побочных продуктов синтеза Необходимость в водной отмывке, токсичность азида натрия
Основным требованием СВС метода является экзотермичность реакции взаимодействия исходных порошков. Это необходимо для того, чтобы продукт образовался в процессе горения [8, 9]. Синтез горением используется при производстве современных материалов, таких как керамика, керамические композиты и интерметаллические соединения. СВС обладает достаточной экономичностью и простотой процесса, в отличие от традиционных методов производства материалов [10].
На данный момент для получения нитридных наноструктурированных композиций перспективно использовать азидную технологию СВС (СВС-Аз). Эта технология основана на использовании азида натрия в качестве твердого азотирующего реагента вместо газообразного азота и галоидных солей различного состава. Синтез нитридной композиции 31зК4-Т1К проводится в лабораторном реакторе СВС-Аз постоянного давления с рабочим объемом 4,5 литра.
Отличительными особенностями азидной технологии СВС являются низкие температуры и скорости горения, а также наличие побочных продуктов синтеза, которые разделяют частицы целевого продукта и препятствуют увеличению их размера.
Как показано в литературном источнике [11], смеси композитных нано-порошков способны гореть и синтезировать агломерированные композиционные порошки разного состава. При получении нитридной композиции Б1зК4-Т1К, конечный продукт представляет собой смесь ультра- и тонко-
дисперсного порошка a-Si3N4 волокнистой формы, ß-Si3N4 столбчатой формы и TiN равноосной формы [12, 13].
В таблице 1 представлен обзор методов получения нитридной композиции Si3N4-TiN.
Таким образом, на основе информации, представленной в литературных источниках [1-13] можно утверждать, что нитридная композиция Si3N4-TiN может быть получена различными методами, в том числе и в режиме горения по технологии СВС-Аз [11-13].
Список литературы
1. Borodianska H., Krushinskaya L., Makarenko G., Sak-ka Y., Uvarova I., Vasylkiv O. Si3N4-TiN Nanocomposite by Nitration of TiSi2 and Consolidation by Hot Pressing and Spark Plasma Sintering // J. Nanosci Nanotechnol. 2009. V. 9. № 11. P. 6381-6389.
2. Каргин Ю.Ф., Ивичева С.Н., Лысенков А. С., Овсянников Н.А., Шворнева Л.И., Солнцев К. А. Композиты Si3N4/TiN, полученные из порошков Si3N4, модифицированных TiO2 // Неорганические материалы. Т. 48, № 9, 2012.- С. 1017-1022.
3. Maglica A., Krnel K., Kosmac T. Preparation of Si3N4-TiN Ceramic Composites (Priprava keramicnih kompozitov na osnivi Si3N4-TiN) // Mater. Tehnol. 2010. V. 44. № 1. P. 31-35.
4. Derakhshandeha M.R., Soleymani Naeinib M., Ghasalia E., Jama A., Fazilia A., Alizadeha M., Kazemzadeha A., Ebadzadeha T. Preparation of in-situ formed TiN03-Ti5Si3-TiN composites through reactive spark plasma sintering of Ti and Si3N4 // J. Ceramics International 45. 2019. P. 6477-6483.
5.Урбанович В.С., Чуевский А.В., Vlajic M., Krstic V.D., Турбинский С.С., Янушкевич К.И. Рентгенофазовый анализ композитов на основе нитридов кремния и титана, спеченных при высоких давлениях // Сб. докл. ФТТП-2005. БелАН. 2005. С. 454-456.
6. Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Historical retrospective of SHS: An autoreview // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis.- 2008. - № 17 (4). - P. 242-265.
7. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика / Сборник научных статей под ред. Е.А. Сычева.- Черноголовка: Территория, 2001.- 432 с.
8. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов.- Черноголовка: ИСМАН, 1998.- 512 с.
9. Амосов, А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебное пособие.- М.: Машиностроение-1, 2007.- 568 с.
10. Moore John J., Feng H. J. Combustion synthesis of advanced materials. Reaction parameters // Progress in Moterids Science. Vol. 39, 1995. Р. 243-273.
11. Кондратьева Л. А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез порошков нитридных композиций Si3N4-TiN, Si3N4-AlN, Si3N4-BN, AlN-BN, AlN-TiN, BN-TiN с применением азида натрия и галоидных солей: дис. ... д-ра техн. наук.- Самара: СамГТУ, 2018.- 881 с.
12. Керсон И. А. Кондратьева Л. А. Исследования горения систем для синтеза нитридной композиции Si3N4-TiN // Современные материалы, техника и технологии.-№3 (6), Курск, 2016.- С. 27-31.
13. Кондратьева Л.А., Керсон И.А., Амосов А.П., Бичуров Г.В. Анализ возможности синтеза нитридных композиций TiN-BN, AlN-BN и Si3N4-TiN по азидной технологии СВС // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 19, № 1 (3), 2017.- С. 536-541.
Senina Alina Sergeevna, student
Kondratieva Lyudmila Aleksandrovna, doctor of technical sciences, Professor Samara state technical University, Samara, Russia
OVERVIEW OF METHODS FOR OBTAINING A NITRIDE COMPOSITION SI3N4-TIN
Abstract. The article provides an overview of methods for obtaining a nitride composition Si3N4-TiN. The advantages and disadvantages of each method are described. Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, silicon nitride, titanium nitride.
ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОГО ЖЕЛЕЗА ОТ СТРУКТУРЫ ПОКРЫТИЯ Серебровский Владимир Исаевич, д.т.н., профессор (e-mail: svi.doc@yandex.ru) Калуцкий Евгений Сергеевич, к.т.н.
(e-mail: kalutsky1990@mail.ru) Серникова Ольга Сергеевна, аспирант (e-mail: olga.sernikova@mail.ru) Курская государственная сельскохозяйственная академия
На основе известных теоретических моделей проанализировано влияние структурных факторов гальванических железных осадков на их прочность. Рассмотрены модели зависимости твердости гальванического осадка от величины зерен, полученные по теоретическим данным.
Ключевые слова: электроосаждение, микротвердость, прочность осадков
При гальваническом осаждении железа и сплавов на его основе структура осадков часто имеет характерное слоистое строение, четко наблюдаемые в оптический микроскоп (рисунок 1). Слои электроосажденного железа состоят в основном из субзерен, размерами 500...2000 А. При этом важно отметить, что конфигурация слоев оказывает существенное влияние на конфигурацию субзерен. Кристаллиты с сильно искаженной решеткой ограничиваются стенками дислокаций, которые можно представить как границы между субзернами [1,2].
Границы субзерен при низких температурах весьма малоподвижны и являются непреодолимыми препятствиями на пути движения дислокаций, возникающих при приложении к гальваническому осадку внешней нагрузки. Внешняя нагрузка, создавая напряжения в кристаллической системе, влияет на генерацию дислокаций внутри кристалла. Деформация кристаллической решетки вызывается дислокациями, которые двигаясь от источника задерживаются посредством границ субзерен, накапливаясь в объеме. Увеличение количества дислокаций внутри кристалла заставляет прикладывать большее внешнее напряжение, необходимое для деформации, что является объяснением увеличения прочности зерна [3,4].
