CC BY
6
Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11, № 2. С. 107-110. Transactions Ко1а Science Centre. Chemistry and Materials. Series 5. 2021. Vol. 11, No. 2. P. 107-110.
Научная статья УДК 544.45
D0I:10.37614/2307-5252.2021.2.5.021
СИНТЕЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА КОБАЛЬТОВОЙ И НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ МЕТОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СВС-МЕТАЛЛУРГИИ
Кирилл Владимирович ЗахаровДмитрий Евгеньевич Андреев2, Владимир Исаакович Юхвид3, Наталья Юрьевна Хоменко4
12 3 4Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова РАН,
Черноголовка, Россия
1zakharov@ism. ac.ru
2ade@ism.ac.ru
3yukh@ism.ac.ru
4natashayrievna@gmail. com
Аннотация
Рассматриваются закономерности синтеза новых композиционных материалов с помощью процессов горения и их особенности физико-химических превращений для применения в современных технологиях и технике. В ранних исследованиях авторами была показана возможность синтеза композиционных материалов методом центробежной СВС-металлургии, в которых были изучены горение термитных смесей и протекающие химические превращения. Также были исследованы составы, структуры и механические свойства синтезированных материалов. Ключевые слова:
СВС-металлургия, кобальтовые сплавы, никелевые сплавы, автоволновой синтез, композиционные материалы, термитные смеси Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-03-00088).
Original article
SYNTHESIS OF COMPOSITE MATERIALS ON COBALT AND NICKEL BASES VIA CENTRIFUGAL SHS-METALLURGY
Kirill V. Zakharov1B, Dmitry Ev. Andreev2, Vladimir Is. Yukhvid3, Natalia Yr. Khomenko4
12,3,4Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS (ISMAN), Chernogolovka, Russia
1zakharov@ism. ac.ru 2ade@ism.ac.ru 3yukh@ism.ac.ru 4natashayrievna@gmail. com
Abstract
This paper discusses the synthesis regularities of new composite materials via combustion processes and their features of physicochemical transformations for task of a modern technology. In early studies, the authors showed the possibility of synthesizing composite materials via centrifugal SHS metallurgy, in which the combustion of thermite mixtures and the chemical transformations were studied. The compositions, structures and mechanical properties of the synthesized materials were also investigated. Keywords:
SHS-metallurgy, Co-based alloys, Ni-based alloys, autowave synthesis, composite materials, thermite mixtures Funding
The study was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research (Project No. 19-03-00088).
Ресурс деталей горячего тракта газотурбинного двигателя, деталей сельскохозяйственных машин, применяемых в абразивных условиях, а также покрытий в химической и нефтегазохимической промышленности, работающих в агрессивных средах, во многом определяется химическим составом материала, его структурой и свойствами. Одним из способов получения новых композиционных материалов с необходимыми характеристиками является СВС -металлургия [1]. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез, который заключается в комбинации процессов химического горения
© Захаров К. В., Андреев Д. Е., Юхвид В. И., Хоменко Н. Ю., 2021
и структурообразования, позволяет при низком уровне энергозатрат за короткое (2-10 с) время получить жаропрочные сплавы, готовые к работе при температурах до 2000 °С и обладающие прочностью до 250 МПа. Классические методы получения таких материалов имеют свои недостатки, которые заключаются в использовании сложного технологического оборудования, что делает метод центробежной СВС-металлургии конкурентноспособным по отношению к алюмотремии и печной металлургии. Синтез проводится инициированием горения высококалорийных смесей термитного типа в жаропрочных графитовых и кварцевых кварцевых формах. Процесс горения протекает между оксидами целевых элементов будущего сплава и металлом-восстановителем (Al, Ca и др.). В смесь могут быть добавлены неметаллы (C, Si, B), которые тоже могут участвовать в химических реакциях. В результате химического превращения и высоких температур горения все компоненты переходят в расплавленное состояние с последующим фазоразделением, которое протекает за счет разности удельных весов и гравитационных сил. В результате формируется двухфазный продукт, состоящий из металлической фазы, находящейся на дне формы, и оксидного продукта (AhO3 с примесями металлов) сверху. Однако фазоразделение не всегда проходит полномерно, в таком случае продуктом является керамика. Для лучшего отделения сплава от оксида используют центробежное оборудование, позволяющее применять перегрузки значением от 1 до 1100g.
Перспективным для аэрокосмической отрасли является получение материалов на основе таких элементов, как Ni и Co, создающих интерметаллические соединения с Al (Co-Al, Ni-Al). Для улучшения прочностных свойств такие сплавы легируются как тугоплавкими металлами (Cr, Mo, Ti), так и неметаллами (С, B). Эти материалы можно использовать для лопаток ГТД, их покрытий, обшивок летательных аппаратов, реактивных сопел и т. д. В данной работе группой авторов рассмотрены физико-химические особенности получения методом центробежной СВС-металлургии сплавов Ni-Cr-Al-Mo-Ti-C и Co-Nb-Cr-W-Mo-C-Al, а также исследованы их свойства.
Современные NiAl-материалы не обладают достаточными эксплуатационными характеристиками. Один из подходов к улучшению характеристик хрупкого интерметаллида — легирование тугоплавкими элементами. Композиции таких материалов чаще всего представляют собой основной матричный материал, по которому равномерно распределены дисперсные частицы других. Сплав состава Ni-Cr-Al-Mo-Ti-C имеет перспективу для создания защитных покрытий на деталях оборудования, работающего в условиях интенсивного износа и агрессивных сред [2]. Базовой смесью для синтеза сплава являлась смесь порошковых оксидов никеля и хрома (NiO и Cr2O3) с алюминием в качестве восстановителя (смесь «X»). В качестве легирующих компонентов выступали MoO3, TiO2, C, Al (смесь «Y») в различных соотношениях, сгенерированных в ходе расчетов ожидаемых композиций целевого продукта (многокомпонентного сплава), с расчетной адиабатической температурой горения выше температуры плавления AhO3. Ранее в экспериментальных исследованих было показано, что изменение соотношения высоко- и низкоэкзотермической составляющих оказывает влияние на процессы горения, формирование химического состава полученного сплава и его микроструктуры. Синтез проводился при нормальных условиях, а также в компланарной и ортогональной ориентациях вектора действия перегрузки. После проведения синтеза полученные образцы были подвергнуты рентгенофазовым исследованиям, структурному и химическому анализу. Фазовая композиция таких материалов характеризовалась многофазностью и состояла из интерметаллических соединений на основе NiTi, MoCr и титанохромового карбида.
На основе вышеизложенных результатов и относительно невысокой температуры горения было принято решение исследовать три случая с поочередным замещением в составе шихты пероксидной составляющей на основе магния, кальция и бария (MgO2, CaO2, BaO2) со своим алюминием для обеспечения восстановительного процесса. Величину легирующей смеси «Y» в данной серии экспериментов фиксировали, выбирая наиболее подходящую точку из «пристрелочной» серии экспериментов. Предполагалось, что добавление в шихту выскоэкзотермических термитных составов (пероксидов) значительно повысит температуру горения смесей [3] и существенно повлияет на полученную фазовую композицию и структуру сплава. Согласно термодинамическим расчетам по программе Thermo, максимальная адиабатическая температура горения смесей при начальных условиях составляла ~2470 °С, а с пероксидами — около 3000 °С. Образцы с пероксидными добавками синтезировались при нормальных условиях в условиях компланарного воздействия вектора перегрузки относительно фронта горения. Один из наиболее перспективных экспериментов с пероксидной добавкой — MgO2 был продублирован в «бомбе постоянного давления» в атмосфере аргона (рис. 1) с целью выявления потенциала неравновесных условий и конкуренции воздействия перегрузки и повышенного давления на структуру, фазовую композицию получаемых продуктов СВС [4].
Третья серия экспериментов предполагала замену имеющегося в составе восстановителя Al марки ПА-4 на АСД-1 с целью изучения влияния дисперсности реагента. Смеси с пероксидными добавками MgO2 и CaO2 сжигали в центрифуге с наложением минимальных (50 g) и максимальных (1100g) значений перегрузки. С помощью такого подхода было оценено влияние величины перегрузки, определен оптимальный интервал ее влияния на процессы горения, фазоразделения, а также на их выход.
Сплавы как №-основе, так и на Со-основе могут использоваться в агрессивных средах. Эти элементы вместе со многими другими образуют широкие области твердых растворов. В настоящей работе представлены результаты изучения влияния содержания углерода на горение и химическое превращение в волне горения. Композиционный материал имел основу из Со, & и а также добавки Mo, W и С Шихтовые заготовки состояли из CoзO4, Cr2Oз, Nb2O5, WOз, MoOз, Al и С, смеси массой 150 г помещались в алундовые формы, после чего проводился синтез. Исследование имело шесть реперных точек, где содержание С варьировалось от 0 до 3,9 вес. %, при этом содержание остальных компонентов изменялось пропорционально. Процесс синтеза проходил с наложением перегрузки 200g. Термодинамический расчет показал монотонное снижение температуры горения с 2610 до 2180 °С.
В ходе проведения синтезов была определена линейная средняя скорость горения (и), полнота выхода целевых элементов в слиток (П1) и относительная потеря массы при горении (^2). Полученные слитки и шлаковые фазы были исследованы методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), также был проведен рентгенофазовый анализ, а процентное содержание легких элементов (С, Al) определялось методами аналитической химии. Результаты экспериментов показали (рис. 2) снижение скорости горения и полноты выхода слитка при росте содержания углерода в смеси (а(С)).
"4Qfjm 1 Electron Image 1
Рис. 2. Закономерности горения. Изменение скорости
Рис. 1. Микроструктура образца Ni-Cr-Al-Mo-Ti-C-Mg горения (u), полноты выхода целевых элементов в слиток (сгоревшего с пероксидной добавкой магния в бомбе (nO и относительной потери массы при горении (n2) постоянного давления) от содержания углерода в смеси (а(С))
Химический и рентгенофазовый анализ полученных продуктов показал присутствие остаточного алюминия в металлической фазе, что можно объяснить тем, что углерод тоже участвует в процессах восстановления. Шлаковый продукт, в свою очередь, помимо оксида алюминия, содержал оксиды хрома и ниобия, из чего можно сделать вывод о неполном восстановлении данных оксидов при горении.
Список источников
1. Юхвид В. И. СВС-металлургия: фундаментальные и прикладные исследования // Advanced materials and technologies. 2016. No. 4. Р. 23-34.
2. Горшков В. А., Качин А. Р., Юхвид В. И. СВС-металлургия литого композиционного материала СгзС2-№а1 и защитные покрытия на его основе // Перспективные материалы. 2014. № 10. С. 60-67.
3. Закономерности горения гибридных смесей CaO2/Al/Ti/Cr/B / Д. Е. Андреев [и др.] // Физика горения и взрыва. 2011. Т. 47, № 6. С. 62-67.
4. Афанасьев Н. И., Лепакова О. К. Синтез композиционных материалов на основе MAX-фазы Ti3SiC2, содержащей бориды // Новые материалы и технологии в космической технике. 2018. Т. 2, № 4.
References
1. Yuhvid V. I. SVS-metallurgiya: fundamental'nye i prikladnye issledovaniya [SHS-metallurgy: fundamental and applied research]. Advanced materials and technologies [Advanced materials and technologies], 2016, No. 4, рр. 23-34. (In Russ.).
2. Gorshkov V. A., Kachin A. R., Yuhvid V. I. SVS-metallurgiya litogo kompozicionnogo materiala &3C2-NiAl i zashchitnye pokrytiya na ego osnove [SHS-metallurgy of cast composite material сгзс2-№а1 and protective coatings based on it]. Perspektivnye materialy [Promising materials], 2014, No. 10, рр. 6067. (In Russ.).
3. Andreev D. E., Sanin V. N., Yuhvid V. I., Kovalev D. Yu. Zakonomernosti goreniya gibridnyh smesej CaO2/Al/Ti/Cr/B [Gorenje regularities of hybrid mixtures of CaO2/Al/Ti/Cr/B combustion]. Fizika goreniya i vzryva [Physics of gorenje and explosion], 2011, Vol. 47, No. 6, рр. 62-67. (In Russ.).
4. Afanas'ev N. I., Lepakova O. K. Sintez kompozicionnyh materialov na osnove MAX-fazy Ti3SiC2, soderzhashchej boridy [Synthesis of composite materials based on the MAX-phase Ti3SiC2 containing borides]. Novye materialy i tekhnologii v kosmicheskoj tekhnike [New materials and technologies in space technology], 2018, Vol. 2, No. 4. (In Russ.).
Сведения об авторах
К. В. Захаров — аспирант;
Д. Е. Андреев — кандидат технических наук;
В. И. Юхвид — дoктoр технических наук;
Н. Ю. Хоменко — научный штрудник.
Information about the authors
K. V. Zakharov — Graduate Student;
D. E. Andreev — Dr. Sc. (Engineering);
V. Is. Yukhvid — Dr. Sc. (Engineering);
N. Y. Khomenko — Researcher.
Статья шступила в редакцию 22.03.2021; oдoбрена шсле рецензирoвания 01.04.2021; принята к публикации 05.04.2021.
The article was submitted 22.03.2021; approved after reviewing 01.04.2021; accepted for publication 05.04.2021.
