CC BY
12
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.019
САМОПРОИЗВОЛЬНАЯ ИНФИЛЬТРАЦИЯ РАСПЛАВА Sn-Pb В
ПОРИСТЫЙ TI3SIC2 Умеров Эмиль Ринатович, аспирант (e-mail: umeroff2017@yandex.ru) Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: evgelat@yandex.ru) Новиков Владислав Александрович, ассистент (e-mail: vladislav_novyi@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В статьей рассматривается возможность самопроизвольной инфильтрации расплава олова в пористый Ti3SiC2 с целью создания керами-кометаллического композита (кермета) Ti3SiC2-Sn-Pb. Предложена схема реализации СВС МАХ-фазы Ti3SiC2 в виде пористого каркаса с последующей пропиткой расплавом олова, приготовленном отдельно в плавильной печи. В качестве реагентов для синтеза Ti3SiC2 использовались порошки титана, кремния и графита. Исследовалось влияние избытка порошка кремния в количестве 25% от стехиометрической массы Si в исходной реакционной смеси 3Ti-(1,00/1,25)Si-2C на количество Ti3SiC2 после пропитки расплавом олова.
Ключевые слова: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез, пористый каркас, МАХ-фаза, Ti3SiC2, расплав Sn-Pb, самопроизвольная инфильтрация, кермет.
Введение
В настоящее время актуальной задачей материаловедения является разработка новых энергоэффективных технологий создания новых композиционных материалов на основе металла и керамики. Распространенный метод СВС, который отличается простотой и эффективностью, позволяет синтезировать многие керамические соединения в виде пористых материалов (заготовок) [1]. Известно, что с помощью СВС получены тройные карбиды, также называемые МАХ-фазами, среди которых наиболее изученными считаются Ti3AlC2 и Ti3SiC2 [2;3]. Реакции синтеза многих керамических соединений, в том числе Ti3SiC2, из исходных чистых порошковых реагентов сопровождаются большим тепловыделением, в результате которого продукт СВС может разогреваться до температур порядка 2000-3000°С. [4]. Существует технология [5], которая совмещает в себе СВС пористой керамической заготовки (каркаса) с его последующим самопроизвольным соединением с металлом. Сразу после СВС керамический каркас, имеющий высокую температуру, при контакте с расплавом металла активно впитывает его в себя без внешнего воздействия. До сих пор точно не определены движущие силы данного процесса, однако считается, что важ-
ную роль играют смачивание металлом керамики, их реакционная способность между собой, а также, вероятно, температурные условия [6-9]. Олово и его сплавы со свинцом являются основой материалов (баббиты и др.), использующихся в таких областях как трибо- и электротехника [10]. На основе Sn была получена также МАХ-фаза Ti3SnC2 [11;12]. В литературе встречается мало работ [13] по исследованию создания композита на основе Ti3SiC2 и Sn ввиду сложности их соединения в единый композит из-за их разной природы и плохого смачивания. Авторы [13] армировали матрицу Sn частицами Ti3SiC2, чем добились улучшения трибологических характеристик олова и предложили использование данного композита в области триботехники, а именно в подшипниках скольжения.
Целью статьи является изучение возможности проведения самопроизвольной пропитки расплавом Sn-Pb пористого СВС каркаса Ti3SiC2 с целью создания кермета Ti3SiC2-Sn и исследования его микроструктуры и фазового состава.
Материалы и методика
В работе использовали следующие порошки: титан марки ТПП-7 (~300 мкм), графит марки С-2 (~15 мкм) и кремний марки Кр0 (~5 мкм), а также сплав Sn-Pb (Pb - 30% мас.) Из исходных порошков получали реакционную шихту смешением в шаровой мельнице в течение 30 минут. Брикеты массой 10 г получали односторонним прессованием в цилиндрической пресс-форме диаметром 23 мм с давлением прессования 20 МПа. Толщина брикетов составляла около 10 мм. Синтез и пропитку расплавом Sn-Pb проводили на воздухе. Горение инициировали с помощью нихромовой спирали накаливания посредством промежуточной запальной смеси. Время горения и задержку перед пропиткой расплавом оценивали с помощью видеокамеры. Инфильтрацию осуществляли расплавом Sn-Pb нагретым до температуры 450°С. Исследование микроструктуры проводили по фотографиям скола образца, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) «Jeol JSM-6390A» (JEOL Ltd., Япония). Фазовый состав продуктов синтеза определяли методом рентгенофазового анализа (РФА). Съемку рентгеновских спектров выполняли на автоматизированном дифрактометре марки ARL X'trA (Thermo Scientific). Использовали Cu-излучение с непрерывном сканировании в интервале углов 20 от 5 до 80 градусов со скоростью 2 град/мин.
Результаты и их обсуждение
Два шихтовых брикета различного состава (3Ti-1,00Si-2C и 3Ti-1,25Si-2C), отличающиеся 25% по мас. избытком Si, были размещены в песчаном углублении. После инициирования реакции СВС в брикетах и ожидания окончания синтеза, выдерживалась временная паузу в 6 сек. После чего на дно углубления заливался расплав Sn-Pb в контакт с синтезированными СВС брикетами, которые самопроизвольно впитывали в себя жидкий сплав. После остывания всей системы, пропитанные брикеты отделялись
от оставшегося металла и подвергались механическому разделению (рас-калыванне). Полученные сколы были изучены с помощью СЭМ (рис.1):
в г
Рис.1 - Микроструктура скола брикетов после пропитки сплавом Би-РЬ (а,б - шихта 3Ть1,008ь2С; в,г - шихта 3Т1-1,2581-2С)
Яч
ЯпО.
311
Ял
I
Г1(;ЗпО_1. 1 Т[С
■пс £0.0
Яи
а
Ж Кп 511
ТлС
ЙС1
»иОг Яг
Ни
Т^Сг ГиУ1С.2 |
Цта
\ I /ял
Тг.йС:
№
КиЬ»
-1
50.0
Йп02 8п Т1С 1 5 к I !\\ ь |
.г !
б
Рис. 2 - Дифрактограммы керамико-металлических образцов после пропитки оловом (а - шихта 3Ть1,008ь2С, б - шихта 3Ть1,258ь2С)
Анализ рис.1 показывает, что пластины Ti3SiC2 присутствуют в обоих брикетах. В брикете, синтезированном с избытком Si отчетливо наблюдается большее количество пластин МАХ-фазы, размеры которых также отличаются в большую сторону (5-10 мкм и 10-20 мкм). Для более точного определения присутствия Ti3SiC2 и сравнения его содержания в двух образцах был проведен РФА сколов брикетов (Рис.2).
Сравнение дифрактограмм на рис.2 показывает, что фазовый состав обоих брикетов представлен 4 основными фазами: Sn, SnO2, TiC и Ti3SiC2. Заметно, что пики Sn сдвинуты, что связано с присутствием Pb в олове. Достаточно высокие пики SnO2 могут быть связаны с высокотемпературным окислением олова в процессе его инфильтрации после СВС. В обоих случаях все пики приблизительно имеют одинаковую интенсивность, за исключением пика Ti3SiC2. Во втором брикете, синтезированном из смеси с 25% избытком Si, наблюдаются пики Ti3SiC2 на 34° и 58°, которые отсутствуют в первом брикете. Интенсивность пиков Ti3SiC2, находящихся в интервале от 39,5° до 42,5° во втором случае выше. Результаты РФА косвенно подтверждают, что избыток Si в исходной шихте приводит к повышению содержания Ti3SiC2 в результате СВС с пропиткой оловом.
Заключение
Впервые показано, что расплав Sn-Pb при T=450°C самопроизвольно проникает в горячий пористый СВС каркас, синтезированной из порошковой смеси 3Ti-1,00(1,25)Si-2C в атмосфере воздуха. Исследование скола пропитанных каркасов показало наличие пластин МАХ-фазы Ti3SiC2 и зерен TiC. С помощью РФА скола выявлены фазы Sn, SnO2, TiC и Ti3SiC2 в обоих пропитанных каркасах. Обнаружено, что 25% избыток кремния в исходной шихте приводит к увеличению содержания Ti3SiC2 после пропитки Sn-Pb.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 2033-90056.
Список литературы
1. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. / Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение-1, 2007. - 567 с.
2. P.M. Bazhin, D.Y. Kovalev, M.A. Luginina, et al. Combustion of Ti-Al-C compacts in air and helium: A TRXRD study. Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth. 25. 2016. P.30-34.
3. Е.И. Латухин, Е.А. Амосов, Э.Р. Умеров. Взаимодействие расплава железа и кар-босилицида титана / Современные материалы, техника и технологии, №6(14), 2017, С.54-60.
4. В.Л. Радишевский, О.К. Лепакова., Н.И. Афанасьев. Синтез, структура и свойства мах - фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. XII Межд-я конф. студ. и мол. уч.
«Перспективы развития фундаментальных наук», Россия, Томск, 2015. С.502-504.
5. Патент РФ № 2733524, Способ получения керамико-металлических композиционных материалов. Авторы: Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р. Заявка № 2019139339. Приор. изобретения 02.12.2019.
6. Amosov A.P., Latukhin E.I., Ryabov A.M., et al. Application of SHS process for fabrication of copper-titanium silicon carbide composite (Cu-Ti3SiC2) // J. of Physics: Conf. Series. - 2018. - V.1115. - Is. 4, №.042003.
7. M. Aizenshtein, N. Froumin, O. Nafman, N. Frage. Wetting and spontaneous infiltration: the case study of TaC/(Au, Al and Cu) compared to TiC/Cu / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 133 (2016) 012020.
8. H.I. Kurt and M. Oduncuoglu. Effects of temperature, time, magnesium, and copper on the wettability of Al/TiC system / Mathematical Problems in Engineering. V.2015. Article ID 710526, 6 p.
9. Рязанов С.А. Способ изготовления лигатур на основе алюминия. Патент RU 2190682, МПК С22С 1/10.
10. С.С. Бердоносов. Олово // Физическая энциклопедия :[в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. 672 с.
11. Yeh Che-Wei, Chiang C.H. Combustion synthesis of Ti2(Al,Sn)C solid solutions from Ti/Al/Sn/C samples with addition of TiC and Al4C3/ Ceramics International V.41(5), 2015.
12. M. Fattahi, M.Z. Mehrizi. Formation mechanism for synthesis of Ti3SnC2 MAX phase. Materials today communications. V.25, 2020. Article №101623ю
13. Hammann T., Johnson R., Riyad M.F., Gupta S. Effect of Ti3SiC2 particulates on the mechanical and tribological behavior of Sn matrix composites/Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Nanostructured and Multifunctional Materials II. P.65-74, 2016.
Umerov Emit Rinatovich, postgraduate student
(e-mail: umeroff2017@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Latukhin Evgeniy Ivanovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: evgelat@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Novikov Vladislav Alexandrovich, scientific assistant
(e-mail: vladislav_novyi@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
SPONTANEOUS INFILTRATION OF THE SN-Pb MELT INTO POROUS TI3SIC2
The article considers the possibility of spontaneous infiltration of tin melt into porous Ti3SiC2 in order to create a ceramic-metal composite (cermet) Ti3SiC2-Sn-Pb. A scheme for the implementation of the SHS MAX phase of Ti3SiC2 in the form of a porous skeleton with subsequent impregnation with a tin melt prepared separately in a melting furnace is proposed. Powders of titanium, silicon and graphite were used as reagents for the synthesis of Ti3SiC2. The effect of an excess of silicon powder in an amount of 25% of the stoichiometric mass of Si in the initial reaction mixture 3Ti- (1.00 /1.25) Si-2C on the amount of Ti3SiC2 after impregnation with a tin melt was studied.
Key words: Self-propagating high-temperature synthesis, porous skeleton, MAX-phase, Ti3SiC2, Sn-Pb melt, spontaneous infiltration, cermet.
