CC BY
13
УДК 666.79
ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДОЙ КАРБИДА ТИТАНА НЕПОСРЕДСТВЕННО
ПОСЛЕ СИНТЕЗА Умеров Эмиль Ринатович, аспирант (e-mail: [email protected]) Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент
(e-mail: [email protected]) Яровой Никита Владиславович, студент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Проведено исследование влияния быстрого охлаждения в воде продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза карбида титана на его микроструктуру. Горячий образец TiC сразу после СВС погружался в воду. С помощью РФА установлено, что синтез карбида полностью завершился несмотря на быстрое падение температуры после СВС. Показано, что влияние размеров исходных частиц порошка титана на размеры частиц синтезируемого карбида титана незначительно. Часть образца при охлаждении разрушается, образуя взвесь TiC в воде. Охлаждение продуктов образования карбида титана непосредственно после реакции СВС позволяет получать микро - и нанопорошок с размерами частиц около 100...300 нм.
Ключевые слова: СВС, карбид титана, быстрое охлаждение, размеры частиц, нанопорошок TiC.
Введение
Хорошо известно, что после прохождения волны горения образующиеся химические соединения укрупняются - происходит рекристаллизация и агломерация зерен. А с другой стороны, для образования химического соединения требуется некоторое время. Возможность резко останавливать химические и физические процессы в постволновой зоне позволяет получать СВС-продукты с различной микроструктурой и фазовым составом [1,2]. Авторами [3] показано, что скорость охлаждения и температура горения являются основными факторами, контролирующими рост зерна. Также отмечено, что размеры частиц графита влияют на процесс зарождения и роста зерен TiC [3]. Наиболее изучены такие способы закалки волны СВС, как погружение в жидкий аргон, с применение медного клина [4]. В работах [5,6] экспериментально показана возможность закалки волны СВС TiC с помощью струи воды, а также представлена теоретическая модель процесса охлаждения образцов TiC. Горячие СВС продукты можно охлаждать расплавом металла. Так получают металло-матричные композиты с распределенными тугоплавкими частицами в металле [7,8]. В соответствии с принципами уменьшения размера зерен продуктов СВС, в случае погружения в воду за счет резкого охлаждения часть продукта горения в виде
мелкодисперсного порошка может рассеиваться в жидкости [9]. После удаления воды, например методом испарения, можно получать мелкодисперсный порошок ТЮ, который не нуждается в дальнейшем размоле. Микро и нано-порошок карбида титана может применяться, например, для получения пористых изделий путем спекания, либо как абразивный материал. Разработке технологии синтеза нанопорошков карбида титана посвящена работа [10], где авторы также получили пористые материалы из нанопорошка ТЮ методом спекания.
В настоящей статье рассмотрен способ быстрого охлаждения продуктов СВС ТьС путем погружения в воду с целью исследования возможности диспергирования продукта горения - Т1С.
Методика и материалы экспериментов Были проведены СВС реакции с использованием порошков титана марки ПТС, ТПП-7 и с частицами сажи П701. Предварительно просушенные порошки смешивались в шаровой мельнице в течение 2 часов. Заготовки массой 10 г. получали односторонним прессованием в цилиндрической пресс-форме диаметром 23 мм с относительной плотностью 0,5. Синтез проводился в аргоне и на воздухе. Синтез образцов для охлаждения в воде проводили на воздухе. Непосредственно после завершения горения, образцы погружались в емкость с дистиллированной водой при комнатной температуре. После кипения часть образца оставалась в спеченном виде, а часть диспергировалась в порошок, который окрашивал воду в черный цвет. Спеченную часть образца вынимали и сушили при комнатной температуре. После испарения воды, со дна емкости собирали порошок ТЮ. Образцы спечённого и диспергированного продукта исследовали с помощью РЭМ ШОЬ и дифрактометра ДРОН-21.
Результаты и их обсуждение Рентгенофазовый анализ спечённой и диспергированной частей охлаждённого в воде образца показал, что содержание ТЮ достигает 97% и около 3% ТЮ2. Это подтверждает полноту прохождения реакции синтеза. Микроструктура спечённых частей образцов карбида титана представлена на рисунке 1: _ ___
а б
Рисунок 1 - Микроструктура ТЮ на смеси ПТС и П701 (а - охлажденного в
воде, б - синтезированного в аргоне)
На рисунке 1 (а) присутствует небольшие (примерно 2x8 мкм) удлиненные зерна, которые можно идентифицировать как карбид титана. Также присутствует микроструктура, не похожая на зернистую карбидную.. На рисунке 1 (б) видны соединенные зерна карбида титана, образующие тонкопористую структуру. Средние размеры зерен ТЮ составляют около 10 -15 мкм. Влияние способа охлаждения на микроструктуру можно оценить по снимкам, представленным на рисунке 2.
Рисунок 2 - Микроструктура спечённого ТЮ из смеси ТПП-7 и П701 (а -охлажден в воде, б -остывал на воздухе)
Размеры зерен ТЮ около 4-6 мкм в случае быстрого охлаждения заметно отличаются от крупнозернистой (10 - 30 мкм) структуры в случае остывания на воздухе.
Микроструктура диспергированных в воде порошков карбида титана представлена на рисунках 3 и 4:
Рисунок 3 - Микроструктура диспергированного ТЮ из титана ПТС (средний размер частиц ~170 нм)
Рисунок 4 - Микроструктура диспергированного TiC из титана ТПП-7
(средний размер частиц ~183 нм)
Анализ микроструктуры порошков карбида титана (рис.3 и 4) показал, что основная часть частиц имеет размеры от 100 до 300 нм. Влияние размеров исходных частиц порошка титана на размеры частиц синтезируемого карбида титана незначительно.
Заключение
Рентгенофазовый анализ показал полноту прохождения реакции синтеза несмотря на быстрое падение температуры после СВС. Установлено, что метод закалки СВС-продукта пригоден для измельчения структуры TiC, а также позволяет получать микро - и нанопорошок TiC с размерами частиц около 100...300 нм.
Список литературы
1. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпе-ратурного синтеза материалов: Учеб. пособ. / Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение-1, 2007. - с.65.
2. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for Material Synthesis: CRC Press, 2015. -P.210.
3. Cochepin B., Heian E., Karnatak N. TiC nucleation/growth processes during SHS reactions// Powder Technology. - 2005, V. 157, Is. 1-3, pp. 92-99.
4. Левашов Е.А., Рогачев А. С., Курбаткина В.В. и др. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: учеб.пособие. -М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. - 377 с.
5. Khusid B., Kulebyakin V.V., Bashtovaya E.A. and Boris Khina B.B. Mathematical and experimental modelling of quenching a self-propagating high-temperature synthesis process// International Journal of Heat and Mass Transfer- 1999. V.42(22), P.4235-4252;
6. Kulebyakin V.V., Schulman Z.P. Non-steady-state heat transfer in quenching the SHS wave by impinging jet// Heat Transfer 1994: Proceedings of the Tenth International Heat Transfer. - 1994. V.7, P.299-302.
7. Луц А. Р., Амосов А. П., Латухин Е. И. и др. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноструктурных композиционных сплавов (Al-2%Mn)-10%TiC и (Al-5%Cu-2%Mn)-10%TiC при легировании порошковым марганцем // Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional'nye pokrytiya. 2018;(3):30-40.
8. Пантелеева А. В., Никонова Р. М. Модифицирование алюминия упрочняющими фазами TiB2 и TiC методом СВС в расплаве // Химическая физика и мезоскопия. - 2019. Том 21, №1, С.65-69.
9. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Приемы регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: от монокристальных зерен до наноразмерных частиц // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. - 2006, №5, С.9 -22.
10. Алымов М.И., Шустов В.С., Касимцев А.В. и др. Синтез нанопорошков карбида титана и изготовление пористых материалов на их основе // Российские нанотехнологии. -2011, Т. 6, №1-2. с.84-89.
Umerov Emit Rinatovich, postgraduate (e-mail: [email protected]
Latukhin Evgeniy Ivanovich, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: [email protected])) Yarovoy Nikita Vladislavovich, student (e-mail: [email protected]) Samara state technical university, Samara, Russia
WATER COOLING OF TITANIUM CARBIDE IMMEDIATELY AFTER SYNTHESIS
The effect of rapid cooling in water ofproducts of self-propagating high-temperature synthesis of titanium carbide on its microstructure was studied. The hot TiC sample was submerged in water immediately after the SHS. With the help ofXRF, it was found that the synthesis of titanium carbide was completely completed despite the rapid drop of temperature after SHS. It is shown that the influence of the sizes of initial particles of titanium powder on the sizes of particles of synthesized titanium carbide is insignificant. Part of the sample is broken down during cooling, forming a suspension of TiC in water. Cooling of titanium carbide formation products directly after the SHS reaction allows to obtain micro- and nanopowder with particle sizes of about 100 ... 300 nm.
Keywords: SHS, titanium carbide, rapid cooling, particle sizes, TiC nanopowder.
