CC BY
14
УДК 666.762
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА ГОРЕНИЕМ ТШС НА ЕГО
МИКРОСТРУКТУРУ
Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент
(evgelat@yandex.ru) Марков Юрий Михайлович, к.т.н., доцент
(Уori.markov.uljnov.1697@yandex.ru) Барабаш Светлана Викторовна, студент (Svetlana451B@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены образцы МАХ-фазы Ti¡SiC2. С помощью сканирующего электронного микроскопа исследована микроструктура. Установлено, что повышение массы образца увеличивает размеры пластин МАХ-фазы и зёрен карбида титана. Использование защитной атмосферы также увеличивает размеры пластин и снижает количество зёрен карбида титана.
Ключевые слова: МАХ-фаза, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, карбосилицид титана, микроструктура.
Введение
Весьма неординарными свойствами обладает новый класс материалов на основе тройных карбидов, получивший название МАХ-фазы. Сочетая в себе свойства как металлических соединений, так и керамических материалов они работоспособны в широком диапазоне температур, являются хорошими тепло- и электропроводниками, показывают себя как термостойкий и легкообрабатываемый материал. [1-3]
МАХ-фазы перспективны для применения во многих областях техники. Материалы на основе МАХ-фаз могут применяться как электро контактные материалы [4], покрытия на лопатках турбин [5], в качестве шлифовального инструмента [6]. Из пластин МАХ-фазы, с помощью травления, может быть получен максен [7], который перспективен для использования в микроэлектронике и получении композиционных материалов. В связи с тем, что многие свойства материалов определяются их микроструктурой, изучение факторов на неё влияющих представляет интерес. Так, размеры зёрен МАХ-фазы карбосилицида титана TiзSiC2 оказывают влияние на трибологические свойства материала [8]. В ряду других МАХ-фаз, карбосилицид титана имеет повышенную термостабильность [9] и хорошие механические свойства.
Проведённые исследования [10] показали, что синтез МАХ-фазы TiзSiC2 в режиме горения проходит в две стадии: 1) Образование силицидов и карбида титана; 2) Из синтезированных силицидов и карбида титана образуются пластины MAX-фаз. Закономерности формирования пластинчатой структуры карбосилицида титана рассмотрены в работе [11].
С помощью динамической дифрактометрии можно исследовать изменение фазового состава непосредственно во время синтеза [10-12]. В зависимости от условий эксперимента было показано, что интенсивность пиков ТЮ начинает снижаться через 2.. .4 секунды после прохождения волны горения. Это говорит об уменьшении количества карбида титана и, следовательно, о начале второй стадии синтеза. В работе [10] показано, что увеличение массы образца от 7 до 15 г приводит повышению содержания МАХ-фазы в продуктах реакции.
Образование силицидов и карбида титана всегда проходит до конца с разной скоростью и температурой горения. Нарушение соотношения компонентов вследствие их окисления невелико по причине быстротечности первой стадии.
Вторая стадия в условиях СВС может не доходить до конца вследствие охлаждения продуктов реакции до температуры ниже необходимой для синтеза карбосилицида титана и изменения соотношения между компонентами из-за их окисления. Известные исследования [13] подтвердили влияние атмосферы на процесс образования МАХ-фазы карбосилицида титана в процессе синтеза горением. Поэтому особое значение приобретает время нахождения продуктов реакции, полученных на первой стадии синтеза, при температуре, достаточной для образования МАХ-фазы. При этом важно не допустить окисления продуктов синтеза. Выполнение этих условий должно отразиться на микроструктуре полученного материала. Скорость охлаждения центральной части образца можно снизить с помощью теплоизоляции и увеличения массы образца, а окисление можно предотвратить с помощью защитной атмосферы.
Поэтому целью исследования является установление влияния массы образцов и защитной газовой атмосферы на размеры зерен карбида титана и пластин карбосилицида титана.
Методика исследований
При проведении эксперимента использовались порошки: титан ПТМ-2, кремний (Кр0), технический углерод П-701. Известно, что при синтезе МАХ-фаз образуются примесные фазы. В основном это карбид титана. При выборе состава исходных порошковых смесей учитывали, что повышение содержания кремния относительно стехиометрии приводит к увеличению количества МАХ-фазы в продуктах реакции [14]. Исходная шихта в соотношении 3Ti+1.25Si+2C смешивалась в шаровой мельнице. Из полученной шихты прессовали цилиндрические заготовки диаметром 23мм, массой 10 г с относительной плотностью 0,5. Для исследования влияния массы образца на микроструктуру из шихты прессовали цилиндрические заготовки массой 60 г и диаметром 40 мм также до относительной плотности 0,5. Для снижения тепловых потерь синтез в шихтовых заготовках массой 60 г проводили в оболочке из речного песка толщиной 30 мм. Для оценки влияния защитной атмосферы на микроструктуру синтез проводили в лабораторном СВС - реакторе объемом 4,5 литра в вакууме (4 10"
МПа.), и в атмосфере аргона (1,01 МПа.) и воздуха. Во всех опытах реакцию СВС инициировали с помощью электрической спирали.
Образец выдерживался в атмосфере синтеза до полного охлаждения. На основании ранее проведённых работ [4, 10] установлено, что микроструктура карбосилицида титана, полученного в процессе СВС, представляет собой разнонаправленные пакеты платин. Зёрна карбида титана имеют округлую форму. Для исследования на растровом электронном микроскопе ШОЬ 6390А из полученных образцов использовали сколы центральной части. На полученных снимках измеряли размеры элементов микроструктуры - диаметр округлых зёрен ТЮ, длину и толщину пластин Т^Ю2.
Результаты и их осуждение
В качестве базы для сравнения использовалась микроструктура образцов, массой 10 г, полученных из порошков титана ПТС-2; технического углерода П-701; технического кремния марки Кр0, синтезированного на воздухе (рисунок 1 а).
а б
Рисунок 1 - Микроструктура образцов Т^Ю2, массой 10г(а) и 60г(б)
На рисунке 1б представлена микроструктура материала, полученного из образца массой 60 г из тех же порошков.
Из данных, представленных в табл. 1, видно, что увеличение массы образца и, соответственно, увеличение продолжительности стадии образования МАХ-фазы, привело к увеличению диаметра округлых зёрен ТЮ, длины и толщины пластин Т^Ю2.
Средняя длина пластин увеличилась на 167%, а средняя толщина на 122%.Видно, что увеличение средней толщины пластин произошло за счёт резкого увеличения минимальной толщины пластин. Размеры карбидной фазы увеличились в 2,5 раза.
Газовая среда непосредственно влияет на вторую стадию образования МАХ-фазы, так как меняется соотношение между компонентами исходной
смеси. Поэтому были проведены опыты в СВС реакторе при использовании различных сред горения.
Таблица 1 - Влияние массы образца на микроструктуру
Параметр Вес образца
10 грамм 60 грамм
мкм. % мкм. %
Средняя длина пластин 15 100 40 267
Максимальная длина пластины 20 50 250
Средняя толщина пластин 0,9 2 222
Максимальная толщина пластин 4 4 100
Минимальная толщина пластин 0,1 0,5 500
Размеры карбидной фазы 2 5 250
Рисунок 2 - Микроструктура TiзSiC2, реакция горения проходила
в аргоне (а) и в вакууме (б)
Опыты проведены в атмосфере воздуха, аргона и вакуума. Из данных, представленных в таблице 2, видно, что и аргон и вакуум оказывают аналогичное влияние на микроструктуру. Можно отметить незначительное количество зёрен карбида титана по сравнению с образцами, полученными в атмосфере воздуха.
Таблица 2 - Влияние газовой атмосферы на микроструктуру Ti3SiC2
Газовая атмосфера
Параметр Воздух Аргон Вакуум
мкм. % мкм. % мкм. %
Средняя длина пластин 15 40 267 40 267
Максимальная длина пластины 20 45 225 50 250
Средняя толщина пластин 0,9 100 2 222 2 222
Максимальная толщина пластин 4 7 175 2,5 63
Минимальная толщина пластин 0,1 1 1000 0,5 500
В целом, защита продуктов реак
ции от окисления существенно увеличила как длину, так и толщину пластин МАХ-фазы карбосилицида титана. Заключение
Установлено, что повышение массы образца увеличивает размеры пластин МАХ-фазы и зёрен карбида титана. Использование защитной атмосферы также увеличивает размеры пластин и снижает количество зёрен карбида титана.
Список литературы
1. Barsoum MW. MAX phases - properties of machinable ternary carbides and nitrides. -Wiley, VCH, 2013. - 437p.
2. Barsoum M. W. (2000) The MN+1AXN phases: A new class of solids; Thermodinamically stable nanolaminates. DOI: 10.1016/s0079-6786(00)00006// Prog. Solid. Stat. Chem. 28. P. 201—281.
3. Barsoum M. W., El-Raghy T., Dmitri Brodkin (2000) Layered machinable ceramics for high temperature. DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00418-6// Interceram. 49, No. 4. P. 226—233.
4. Davidov D.M., Amosov A.P, Latukhin E.I.Synthesis of MAX-Phase of Titanium Silicon Carbide (Ti3SiC2) as a Promising Electric Contact Material by SHS Pressing Method. Aplied mechanics and materials, vol. 792, pp596-601, 2015.
5. Шулов, В. А., Быценко Д.А., Теряев О.А. Получение нанокристаллических эрози-онно-корозионностойких покрытий, содержащих МАХ-фазу, на поверхности деталей из титановых сплавов// Вестник МАИ - 2010. -Т. 17. - № 3. - C. 152-166.
6. Смагин Г.И., Филимоненко В.Н., Яковлев Н.Д. и др. Шлифовальный инструмент на основе силикокарбида титана / Журнал Обработка металлов - Новосибирск, 2011 год, - 27-30 с.
7. Michael Naguib, Olha Mashtalir, Joshua Carle, Volker Presser, Jun Lu, Lars Hultman, Yury Gogotsi, and Michel W. Barsoum/ Two-Dimensional Transition Metal Carbides// ACS Nano, Vol 6, No. 2, 1322-1331, 2012
8. El-Raghy T., Blau P., Barsoum M.W. Effect of grain size on friction and wear behavior of Ti3SiC2 // Wear. 2000. Vol. 238 (2). P. 125-130.
9. Борисов Д.В., Латухин Е.И., Головань А.А. Исследование воздействия температуры на МАХ-фазу Ti3SiC2//Современные материалы, техника и технологии-Курск-2017-№2, С.25-30
10. Vadchenko S. G., Sytschev A. E., Kovalev D. Yu., Shchukin A. S. and Konovalikhin S. V. Self-Propagating High-Temperature Synthesis in the Ti-Si-C System: Features of Product Patterning// Nanotechnologies in Russia, 2015, Vol. 10, Nos. 1-2, pp. 67-74.
11. Konovalikhin S. V, Kovalev D. Yu., Sytschev A. E., Vadchenko S. G., Shchukin A. S.Formation of Nanolaminate Structures in the Ti-Si-C System: A Crystallochemical Study// International Journal of Self_Propagating High_Temperature Synthesis, 2014, Vol. 23, No. 4, pp. 216-220.
12. Bazhin P.M., Kovalev D.Yu., Luginina M.A., Averichev O.A. Combustion of Ti-Al-C Compacts in Air and Helium. A TRXRD Study//International Jornal of Sel-Propagating High-Temerature Synthess.-2016.-v.25.-№ 1.-P.30-34
13. Amosov A.P., Latukhin E.I., Davydov D.M., The influence of gas atmosphere composition on formation of surface films in self-propagating high-temperature synthesis of porous Ti3SiC2, Modern Applied Science, 9 (2015) 3, 17-24.
14. Meng F., Liang B., Wang M. Investigation of formation mechanism of Ti3SiC2 by selfpropagating high-temperature synthesis, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 41 (2013) 152-161.
Latukhin Evgeny Ivanovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: evgelat@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Markov Yuriy Mikhailovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: yori.markov.uljnov.1697@yandex.ru )
Samara state technical university, Samara, Russia
Barabash Svetlana Viktorovna, student
(e-mail: Svetlana451B@mail.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
THE INFLUENCE OF CONDITIONS OF COMBUSTION SYNTHESIS OF TI3SIC2 ON ITS MICROSTRUCTURE
Abstract .Samples of MACH-phase Ti3SiC2 -were obtained by self-propagating high-temperature synthesis. The microstructure was studied using a scanning electron microscope. It was found that increasing the mass of the sample increases the size of the Mach-phase plates and titanium carbide grains. The use of a protective atmosphere also increases the size of the plates and reduces the number of titanium carbide grains.
Keywords: MAX-phase, self-propagating high-temperature synthesis, carbolized titanium, microstructure.
