CC BY
62НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
УДК 66.091.3+977:546
DOI 10.26732/2618-7957-2018-4-225-228
СИНТЕЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МАХ-ФАЗЫ Т1381С2, СОДЕРЖАЩЕЙ БОРИДЫ
Н. И. Афанасьев О. К. Лепакова
Томский научный центр СО РАН, г. Томск, Российская Федерация
Исследованы микроструктура, фазовый состав и жаростойкость МАХ-фазы Ti3SiC2 и композиционного наноламинатного соединения Ti3SiC2-B, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме послойного горения. Процесс синтеза проводили в бомбе постоянного давления в атмосфере аргона. Волну безгазового горения инициировали раскаленной вольфрамовой спиралью. Максимальную
температуру горения определяли вольфрам-рениевой термопарой ВР5-ВР20. Фазовый состав и структурные параметры полученных материалов определяли на диф-рактометрах Shimadzu XRD-6000 (СиКа-излучение) и ДРОН-2 (СоКа-излучение). Количественный фазовый анализ проводили с помощью программы POWDER CELL 2,4. Для изучения микроструктуры использовали оптический (Axiovert 200M, Karl Zeiss) микроскоп. Установлено, что бор не входит в состав твердого раствора МАХ-фазы при концентрации менее 0,2 мол. %. Продукты с содержанием бора более 0,2 мол. % содержат дисперсные частицы диборида титана, располагающиеся между пластинами МАХ-фазы. Проведенные испытания на жаростойкость при температуре 1373 К показали, что исследованные в работе композиционные материалы на основе соединения Ti3SiC2 соответствуют жаростойкости стехиометрической фазы и превосходят по жаростойкости сплавы системы Ni-Cr-Al-Y, широко используемые для защиты деталей газотурбинного двигателя. Абразивная износостойкость композиционного материала в 1,6 раза выше, чем у МАХ-фазы и в 2,8 раза превосходит износостойкость сплава Ni-Cr-Al-Y. Полученные материалы перспективны для использования в качестве жаростойких и износостойких покрытий.
Ключевые слова: МАХ-фаза, самораспространяющийся высокотемпературный синтез,
фазовый состав, жаростойкость.
Введение
Материалы на основе соединения Т1381С2 с наноламинатной структурой сочетают в себе свойства керамики и металлов, характеризуются высокими значениями модулей упругости (326 ГПа) и сдвига (135 ГПа), значительными вязкостью разрушения (7^12 МПам05), прочностью, трещино-стойкостью, термостойкостью, химической стойкостью и низкой плотностью (4,52 г/см3) [1-6].
В работе [7] на основе неэмпирического метода функционала электронной плотности показано влияние примесей азота, кислорода и бора на параметры решетки, локальные искажения, стабильность и электронную структуру силикокарбида Т1381С2. Указанные выше примеси могут оказывать влияние на фазовый состав, структуру и физико-механические свойства синтезируемых материалов.
© Афанасьев Н. И., Лепакова О. К., 2018
Целью настоящего исследования являлось изучение фазового состава, микроструктуры и жаростойкости композитов на основе Т138Ю2, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) при частичной замене атомов углерода в кристаллической решетке Т1381С2 атомами бора.
Материалы и методы исследования
В работе были изучены продукты СВ-синтеза составов 3Т1-1^1-2С, 3Т1-1^Ц1,9С + 0,1В), 3Т1-1^1-(1,8С + 0,2В), 3Т1-1^-(1,5С + 0,5В).
Титанокремнистый карбид Т138Ю2 получали синтезом из элементов в режиме послойного горения, используя химическую реакцию
3Т1 + 2С+$1+В^Т13$1(СВ)2
Т. к. в процессе синтеза часть кремния, обладающего высокой упругостью паров, испаряет-
I Дм
АППАРАТЫ III
№ 4 (26) 2018
■ТЕХНОЛОГИИ I
Рт
Том 2
' ся, то-кремний вводили с избытком 15-20 масс. % относительно стехиометрического состава.
Для приготовления реакционных смесей использовали просушенные в вакууме при температуре 200 °С в течение двух часов порошки титана марки ТПП 8 (ОАО «Ависма», г. Березники), кремния марки КР-1 (< 20 мкм) и углерода (сажа марки ПМ75 с размером частиц < 0,033 мкм). Порошки тщательно перемешивали в фарфоровой ступке. Из приготовленных смесей на гидравлическом прессе формовали пористые (40-45 %) цилиндрические образцы диаметром 20 и длиной 226 30-32 мм. Процесс СВС проводили в бомбе постоянного давления в атмосфере аргона. Волну безгазового горения инициировали раскаленной вольфрамовой спиралью. Максимальную температуру горения определяли вольфрам-рениевой термопарой ВР5-ВР20 толщиной 100 мкм. Сигнал от термопары поступал на вход АЦП и фиксировался в памяти компьютера.
Фазовый состав и структурные параметры полученных материалов определяли на дифрак-тометрах Shimadzu XRD-6000 (CuÄ^-излучение) и ДРОН-2 (СоКа - излучение). Количественный фазовый анализ проводили с помощью программы POWDER CELL 2,4. Для изучения микроструктуры использовали оптический (Axiovert 200М, Karl Zeiss) микроскоп.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведены микроструктуры СВ-синтезированных образцов составов 3Ti-1,2Si-2C (а) и 3Ti-1,2Si-(1,5C + 0,5B) (б). Образец состава 3Ti-1,2Si-2C состоит в основном из пластинчатых кристаллов Ti3SiC2 и округлых частиц TiC (~ 15 масс. %). При добавлении бора в составе синтезированных продуктов идентифицируется диборид титана, который наряду с карбидом титана располагается в основном в промежутках между пластинчатыми кристаллами МАХ-фазы Ti3SiC2 (рис. 1б).
На рис. 2 приведены дифрактограммы синтезированных продуктов системы 3Ti-1,2Si-2(C,B).
Как следует из анализа дифрактограмм, ди-борид титана идентифицируется только в продуктах с содержанием бора 0,2 и 0,5 мол. %. Образцы системы 3Ti-1,2Si-2(C,B), полученные методом СВС с различным содержанием бора в исходной шихте, были испытаны на жаростойкость. Жаростойкость оценивали по привесу окисленных на воздухе образцов в электропечи на основании ГОСТ 6130-71. Исследования проводили при температуре 1373 К, продолжительность выдержки составляла 30 часов. Привес образцов определяли на аналитических весах с точностью 10-4 г. (табл. 1). В таблице для сравнения приведены данные по жаростойкости сплава Ni-Cr-Al-Y.
-
ф} V.'
ННЩ .. J
.....fcÄBf
*л v •* *
"Л . ^ JÄ
Рис. 1. Микроструктуры синтезированных продуктов составов: (а) - 3Ti-1,2Si-2C, (б) - 3Ti-l,2Si-(l,9C + 0,5В)
29,град
Рис. 2. Дифрактограммы СВ-синтезированных продуктов составов: а - 3Ti-1,2Si-2C, б - 3Ti-1,2Si-(1,9C + 0,1B), в - 3Ti-1,2Si-(1,8C + 0,2B), г - 3Ti-1,2Si-(1,5C + 0,5B). 1 - Ti3SiC2, 2 - TiC, 3 - TiSi2, 4 - TiB2
Как видно из табл. 1, привес для изученных образцов составил 20-30 г/м2. Однако, по данным рентгенофазового анализа (рис. 3) в образцах, подвергнутых окислению на воздухе, оксидов не обнаружено. Возможно, привес связан с окислением тонких поверхностных слоев образцов.
Сравнение с данными по окислению сплава №-Сг-А1^ (табл. 1), показало, что все исследованные в работе образцы обладают более высокой жаростойкостью.
Таблица 1
Окисление СВС-композита состава 3Ть1^ь2(С,В)
Содержание бора в исходной шихте, мол. % Привес (Am/s), г/м2
0 23
0,1 31
0,2 24
0,5 21
Ni-Cr-Al-Y 44
а
Н. И. Афанасьев, О. К. Лепакова
Синтез композиционных материалов на основе МАХ-фазы Ti3SiC2, содержащей бориды
Таблица 2
I
i>
н J
I I '.H.b.i.yf ^"^^■«.."Vi
X-Xhj
i
J«ji I'.,.,, , MU., , H At,
1 1
30
40
—i—
50
—
60 70 80 90 100
20,град.
Рис. 3. Дифрактограммы образцов с различным содержанием бора, подвергнутых окислению при температуре 1373 К в течение 30 часов.
1 - Тт,8Ю2, 2 - ТЮ, 3 - т2, 4 - ТШ2
Проведенные исследования показали, что пористые СВС-композиционные материалы на основе наноламината Т1381(СБ)2 при температуре 1373 К обладают более высокой жаростойкостью по сравнению со сплавом на основе М-Сг-А1-У, который широко используется в качестве защитных покрытий деталей газотурбинного двигателя из жаропрочных суперсплавов на основе никеля [8-11].
В табл. 2 приведены коэффициенты относительной абразивной износостойкости исследованных материалов и эталона. В качестве эталона использовали Ст. 45. Для сравнения в таблице приведен коэффициент относительной износостойкости сплава системы М-Сг-А1-У, полученного методом вакуумной плазменной технологии [12].
Относительная абразивная износостойкость покрытий
№ и/и Материал покрытия Ки
1 Эталон Ст. 45 1,0
2 Ni-(19-23)Cr-(9-11)Al-(0,15-0,4)Y 3,8
3 Ti3SiC2 5,9
4 TisSi^B^ 9,6
Коэффициент относительной износостойкости /\~п рассчитывали по формуле [13]:
Ки = (Дтэхри) / (Атв * рэ),
где Атэ, Ати - потеря массы эталонного и испытуемого образцов, соответственно; ри, рэ - плотность эталона и испытуемого образца.
Заключение
Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме послойного горения получена МАХ-фаза Т1381С2 и композиционный материал Т138Ю2-Т1Б2. В составе МАХ-фазы наблюдаются карбиды и дисилициды титана. Установлено, что бор не входит в состав МАХ-фазы, а образует дисперсные частицы диборида титана. Жаростойкость композиционного материала вдвое выше сплава №-Сг-А1^ и соответствует уровню жаростойкости МАХ-фазы. Абразивная износостойкость композиционного материала в 1,6 раза выше, чем у МАХ-фазы и в 2,8 раза превосходит износостойкость сплава №-Сг-А1-У
227
Список литературы
[1] Faber L., Barsoum M. W., Zavaliangos A., El-Raghy T. Dislocations and Stacking Faults in Ti3SiC2 // Journal of the American Ceramic Society, 1998, no. 6, pp. 1677-1681.
[2] Barsoum M. W. The Mn+1AXn phases: A new class of solids. Thermodinamically Stable nanolaminates // Progress in Solid State Chemistry, 2000, no. 28, pp. 201-281.
[3] Barsoum M. W., El-Raghy T., Radovic M. Ti3SiC2: a layered machinable ductile carbide // Interceram, 2000, vol. 49.
[4] Li J. F, Pan W., Sato F., Watanabe R. Mechanical properties of. polycrystalline Ti3SiC2 at ambient and elevated temperatures // Acta Materialia, 2001, no. 49, pp. 937-945.
[5] Sun Z. M., Murugaiah A., Zhen T., Zhou A., Barsoum M. W. Microstructure and mechanical properties of porous Ti3SiC2 // Acta Materialia, 2005, no. 53, pp. 4359-4366.
[6] Barsoum M. W., El-Raghy T. The MAX Phases: Unique New Carbide and Nitride Materials // American Scientist, 2001, vol. 89, no. 4, pp. 334-343.
[7] Медведева Н. И. Влияние примесей бора, азота, кислорода на электронную структуру и деформационное поведение Ti3SiC2 / Физика твердого тела. 2013. Т. 55. Вып. 3. С. 500-503.
[8] Шалин Р. Е. Жаропрочные сплавы для газовых турбин. М. : Металлургия, 1981. 480 с.
[9] Афанасьев Н. И., Бушнев Л. С., Колобов Ю. Р. Влияние жаростойкого покрытия на деградацию микроструктуры сплава ЖС6У // Изв. вузов. Физика. 1986. № 12. С. 109-111.
[10] Eds Sims Ch. T., Stoloff N. S., Hagel W. C. Superalloys. New York, John Willey & Sons Inc., 2007, 384 p.
[11] Gons M. Ion Implantation into metals to prevent high temperature oxidation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1983, vol. 209-210, pp. 841-847.
[12] Добровольский А. Г., Кошеленко П. И. Абразивная износостойкость материалов. Киев : Тэхника, 1989. 120 с.
_________EL _
AIMAPATbllfl_№ 4 (26 2oi8
THHQIIOniHEffl^Pjg TOM 2
ist
ïv.î
THE SYNTHESIS OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON MAX-PHASE Ti3SiC2 CONTAINING BORIDES
N. I. Afanasyev, O. K. Lepakova
Tomsk Scientific Centre SB RAS, Tomsk, Russian Federation
The microstructure, phase composition, and heat resistance of MAX-the Ti3SiC2 phase and the composite nanolaminate compound Ti3SiC2-B obtained by the method of self-propagating high-temperature synthesis in layer-burning mode are investigated. The synthesis process was carried out in a constant pressure bomb in an argon atmosphere. A wave ofgasless burning was initiated by a red-hot tungsten spiral. The maximum burning temperature was determined by tungsten-228 rhenium thermocouple W + 5% Re-W + 20% Re.
The phase composition and structural parameters of the obtained materials were determined on Shimadzu XRD-6000 diffractometers (CuKa radiation) and DRON-2 (CoKa radiation). Quantitative phase analysis was performed using the POWDER CELL 2,4 program. An optical
microscope (Axiovert 200M, Karl Zeiss) was used to study the microstructure. It was established that boron is not included in the composition of the MAX solid solution at a concentration of less than 0,2 mol. %. Products with a boron content of more than 0,2 mol. % contain dispersed particles of titanium diboride located between the MAX-phase plates. The tests for heat resistance at a temperature of1373 Kshowed that the composite materials based on the Ti3SiC2 compound studied in this work correspond to the heat resistance of the stoichiometric phase and surpass the Ni-Cr-Al-Y system alloys, which are widely used to protect parts of a gas turbine engine. The abrasive wear resistance of the composite material is 1,6 times higher than that of the MAX-phase and 2,8 times higher than the wear resistance of the Ni-Cr-Al-Y alloy. The resulting materials are promising for use as heat-resistant and wear-resistant coatings.
Keywords: MAX phase, self-propagating high-temperature synthesis, phase composition,
heat resistance.
References
[1] Faber L., Barsoum M. W., Zavaliangos A., El-Raghy T. Dislocations and Stacking Faults in Ti3SiC2 // Journal of the American Ceramic Society, 1998, no. 6, pp. 1677-1681.
[2] Barsoum M. W. The Mn+1AXn phases: A new class of solids. Thermodinamically Stable nanolaminates // Progress in Solid State Chemistry, 2000, no. 28, pp. 201-281.
[3] Barsoum M. W., El-Raghy T., Radovic M. Ti3SiC2: a layered machinable ductile carbide // Interceram, 2000, vol. 49, no. 4, pp. 226-233.
[4] Li J. F, Pan W., Sato F., Watanabe R. Mechanical properties of. polycrystalline Ti3SiC2 at ambient and elevated temperatures // Acta Materialia, 2001, no. 49, pp. 937-945.
[5] Sun Z. M., Murugaiah A., Zhen T., Zhou A., Barsoum M. W. Microstructure and mechanical properties of porous Ti3SiC2 // Acta Materialia, 2005, no. 53, pp. 4359-4366.
[6] Barsoum M. W., El-Raghy T. The MAX Phases: Unique New Carbide and Nitride Materials // American Scientist, 2001, vol. 89, no. 4, pp. 334-343.
[7] Medvedeva N. I. Vliyanie primesej bora, azota, kisloroda na ehlektronnuyu strukturu i deformacionnoe povedenie Ti3SiC2 [Effect of impurities of boron, nitrogen, oxygen on the electronic structure and deformation behavior of Ti3SiC2] / Solid State Physics, 2013, vol. 55, issue 3, pp. 500-503. (In Russian)
[8] Shalin R. E. Zharoprochnye splavy dlyagazovyh turbin [Heat-resistant alloys for gas turbines]. Moscow, Metallurgy, 1981, 480 p. (In Russian)
[9] Afanasyev N. I., Bushnev L. S., Kolobov Yu. R. Vliyanie zharostojkogo pokrytiya na degradaciyu mikrostruktury splava ZHS6U [Effect of a heat-resistant coating on the degradation of the microstructure of the ZhS6U alloy] // Izv. universities. Physics, 1986, no. 12, pp. 109-111. (In Russian)
[10] Eds Sims Ch. T., Stoloff N. S., Hagel W. C. Superalloys. New York, John Willey & Sons Inc., 2007, 384 p.
[11] Gons M. Ion Implantation into metals to prevent high temperature oxidation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1983, vol. 209-210, pp. 841-847.
[12] Dobrovolsky A. G., Koshelenko P. I. Abrazivnaya iznosostojkost'materialov [Abrasive wear resistance of materials]. Kiev, Tekhnika, 1989, 120 p. (In Russian)
