CC BY
37
УДК 620.172.2:669.15
Т. В. Носова1, А. В. Калинин2
1Дпепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара, 2 Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры;
г. Днепр
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ТИТАНА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ СИНТЕЗОМ
На основе анализа существующих способов получения наноматериалов обосновано применение плазмохимического синтеза для получения нанодисперсных тугоплавких композиций на основе титана. Разработаны технологические параметры синтеза порошков карбидов, нитридов, карбонитридов титана с размером частиц 50...100 нм. Получены нанокомпозиции ЪС, ТШ, Ъ (С, Ы) заданной формы и размеров. Изучены кристаллографические параметры и физические свойства наночастиц, доказывающие их кристаллическое строение. Проведен анализ особенностей строения и свойств нанопорошковых композиций по сравнению с обычными порошками того же состава. Полученные нанокомпозиции плазмохимического синтеза применены в качестве основы модификаторов железо-углеродистых сплавов и цветных металлов.
Ключевые слова: нанокомпозиции, порошки, титан, плазмохимический синтез, модификатор.
Введение
Повышение качества физико-механических и эксплуатационных свойств изделий машиностроения, авиационной и космической техники может быть решено при разработке новых материалов с принципиально отличающимся составом, структурой и технологией получения. К таким материалам относятся нанострук-турные материалы на основе нанопорошков металлов, сплавов, оксидов, нитридов, карбидов и эти же вещества в компактном состоянии с зернами нанометрово-го диапазона, а также нанополимеры и нанокомпозиты [1-3]. Создание наноматериалов связано с разработкой и применением нанотехнологий. Изучение наномате-риалов выявило много проблем в фундаментальных знаниях о природе нанокристаллического состояния и его стабильности при различных условиях [4, 5]. Решение этих проблем связано в первую очередь с изучением способов получения, особенностями строения и свойств нанопорошков тугоплавких металлов.
Постановка задачи
Задача материаловеденья заключается в создании современных высокопрочных сталей и сплавов со стабильной структурой, способных работать в широком диапазоне температур, статических и динамических воздействий [9-10]. Целью данной работы является разработка технологических параметров получения нано-дисперсных тугоплавких композиций на основе титана. Необходимо изучить существующие способы получения нанопорошков и обоснованно выбрать метод получения нанокомпозиций на основе титана, являющихся эффективными модификаторами сталей и сплавов.
Материалом исследования служили нанокомпози-ции на основе карбидов, нитридов, карбонитридов ти© Т. В. Носова, А. В. Калинин, 2017
тана с заданными кристаллографическими параметрами и размером частиц от 50 до 100 нм.
Результаты исследований
Для всех методов получения нанопорошков, отличающих их от методов получения обычных порошков, характерно:
- высокая скорость образования центров зарождения частиц;
- малая скорость роста частиц;
- размер получаемых частиц не более 100 нм;
- узкий диапазон распределения частиц по размерам;
- стабильность получения частиц заданного размерного диапазона;
- воспроизводимость химического и фазового состава частиц;
- повышенные требования к контролю и управлению параметрами процесса получения.
Общей особенностью наночастиц порошков, полученных любым методом, является их склонность к объединению в агрегаты и агломераты. В результате необходимо учитывать не только размеры, но и размеры их объединений. В агрегатах связь между кристаллитами прочнее, а межкристаллитная пористость меньше. При последующем компактировании для достижения заданной пористости материала агрегатированные порошки требуют высоких температур и давлений по сравнению с неагрегатированными.
Все группы методов получения нанопорошков можно условно разделить на две группы (рис. 1). К первой группе можно отнести технологии, основанные на химических процессах, ко второй группе - на физических процессах.
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
Рис. 1. Основные методы получения нанопорошков [5, 7]
Наиболее перспективным способом получения на-нодисперсных композиций на основе титана является плазмохимический синтез. Схема установки приведена на рис. 2. В качестве исходного сырья использовали порошки титана размером 0.3...0.5 мм. Источником углерода служил природный газ. За счет высокой температуры плазмы (до 10000 К) и высоких скоростей взаимодействия обеспечивается переход всех исходных веществ в газообразное состояние, их последующее взаимодействие и конденсация продуктов в виде нано-порошка с частицами правильной формы размерами от 10 до 200 нм.
Источником энергии для получения плазмы азота является высокочастотный генератор ВЧИ 11-60/1.76, работающий на частоте 1,76 МГц при напряжении питания 380 В. Температура потока азотной плазмы составляла 5800 К [8].
На приведенной высокочастотной установке получали нанопорошки Т1С, ТШ, Т1 (С,^ гранулометрического состава 50.100 нм. Выбор скорости охлаждения позволил получить порошки заданного состава, формы и размеров (табл. 1).
Система газоснабжении
6
Сисчкмн в одоохлаждения
Рис. 2. Схема установки для получения нанопорошков методом плазмохимического синтеза [8]: 1 - корпус установки, 2 - рукавные фильтры, 3 - реакционная камера, 4 - плазмотрон, 5 - устройство ввода продукта в плазменную струю, 6 - труба отжига порошка, 7 - разгрузочное устройство
Полученные нанопорошки имеют правильную геометрическую форму в виде кубов и многогранников, а также кристаллическое строение.
Кристаллографические параметры и физические свойства полученных композиций приведены в табл. 2.
Таблица 1 - Фазовый состав нанопорошков на основе титана
Соединения Концентрация элементов, % мас.
С С N N Т1 Т1
свободный связанный свободный связанный свободный связанный
Т1С 1.0.1.5 18.21 - - 1.0.1.5 76.80
ТМ - - - 20.23 1.0.1.5 75.78
Т1 (С,Ы) 0.5 15.17 0.5.1.0 19.22 0.5.1.0 60.65
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургИ та машинобудувант №1, 2017 61
Таблица 2 - Кристаллографические параметры дисперсных композиций на основе титана
Формула соединения Сингония Тип фазы Период решетки, нм Плотность, кг/м3 Температура плавления, °С
TiC кубическая внедрения 0,4349 4920 3140
TiN кубическая внедрения 0,4243 5430 2950
Ti(C,N) кубическая внедрения 0,4256 4950 3120
Нанодисперсные композиции применяли для получения комплексных модификаторов железо-углеродистых сплавов и цветных металлов.
Заключение
Проведен обзор современных публикаций, способов получения и особенностей свойств наноматериа-лов. Приведена классификация способов получения наноматериалов. Обосновано применение метода плаз-мохимического синтеза для получения тугоплавких соединений на основе титана. Разработаны технологические параметры процесса. Получены нанопорошки Т1С, ТШ, Т (С,К) с размером частиц 50.. .100 нм.
Изучены кристаллографические параметры и физические свойства нанокомпозиций, доказывающие их кристаллическое строение. Нанодисперсные композиции применены в качестве основы модификаторов железо-углеродистых и цветных сплавов.
Список литературы
1. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотех-нологии / А. И. Гусев. - М. : Физматлит. - 2005. - 426 с.
2. Морохов И. Д. Ультрадисперсные металлические среды / И. Д. Морохов, Л. И. Трусов, Е. П. Чижик. - М. : Атомиздат. - 1977. - 264 с.
3. Петров Ю. И. Кластеры и малые частицы / Ю. И. Петров. - М. : Наука. - 1986. - 368 с.
4. Борисенко В. Е. Наноматериалы и нанотехнологии /
B. Е. Борисенко, Н. К. Толочко. - Минск : ИЦБГУ -2008. - 375 с.
5. Наноматериалы / [Б. М. Балоян, А. Г. Колмаков, М. И. Алимов, А. М. Кротов]. - М. : Угреша. - 2007. - 386 с.
6. Наноматерiали та нанотехнологи : тдручник / [В. О. Бо-гуслаев, О. Я. Качан, Н. Е. Калшша та ш.] - Запорiжжя : Мотор Ci4. - 2015. - 200 с.
7. Saunders N. The Application of CALPHAD Calculations to Ni-based Superalloys / N. Saunders, M. Fahrman,
C. Small// In «Superalloys 2000», eds. K.A. Green;- TMS, Warrendate. - 2000. - 803 p.
8. Особенности наномодифицирования многокомпонентных никелевых сплавов / [Н. Е. Калинина, А. Е. Кали-новская, В. Т. Калинин и др.] // Авиационно-космичес-качя техника и технология. - 2012. - № 7(94). - С. 23-26.
9. Патон Б. Е. Современные направления повышения прочности и ресурса сварных конструкций / Б. Е. Патон // Автоматическая сварка. - 2000.-№ 9.- С. 3-14.
10. Мешков Ю. Я. Прочность как основа конструкционной надежности сталей и сплавов / Ю. А. Мешков // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. на-учн. тр. ПГАСА. - Вып.80. - Днепропетровск. - 2015. -С. 204-210.
Одержано 15.05.2017
Носова Т.В., Ка. liiiiii О.В. Одержання нанокристагачних композицш на 0CH0Bi титану плазмох1]шчним синтезом
На основi анализу наявних способгв отримання наноматергалгв обтрунтовано застосування плазмохгмгчного синтезу для отримання нанодисперсних тугоплавких композицш на основi титану. Розроблет технологiчнi параметри синтезу порошюв карбiдiв, нiтридiв, карбонiтридiв титану з розмiром часток 50... 100 нм. Отриман нанокомпозицИ TiC, TiN, Ti (C, N) заданоi форми i розмiрiв. Вивченi кристалографiчнi параметри i фiзичнi властивостi наночасток, що доводять ix кристалiчну будову. Проведений аналiз особливостей будови i властивостей нанопорошкових композицш порiвняно i-з звичайними порошками того самого складу. Отриман нанокомпозицИ плазмоxiмiчного синтезу застосованi як основа модифiкаторiв залгзо-вуглецевих сплавiв i кольорових металiв.
Ключовi слова: нанокомпозицИ, порошки, титан, плазмоxiмiчний синтез, модифжатор.
Nosova T., Kalinin A. Obtaining nanocrystaline compositions of titanium based making by plasmachemical synthesis
On the basis of analysis of existent methods of receipt the nanomaterials application plasmachemical synthesis is reasonable for the receipt of nanodispersible refractory compositions on the basis of titan. The technological parameters of synthesis ofpowders the carbides, nitrides, carbonitrides titan with particles size for 50...100 nm are worked out. Nanocompositions TiC, TiN, Ti (C, N) true-to-shape and sizes, are got. Crystallographic parameters and physical properties of nanoparticles, proving them crystall structure, are studied. The analysis of features structure and properties of nanopowder-like compositions is conducted as compared to ordinary powders of the same composition. Obtaining nanocompositions ofplasmachemical synthesis are applied on basis of modifiers the iron-carbon alloys and coloured metals.
Key words: nanocompositions, powders, titanium, plasmachemical synthesis, modifier.
