CC BY
1605.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.25712ZASTU.2072-89212020.04.026 УДК 621.762.04
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЙ ШИХТЫ ^ + А1 ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ
М. В. Логинова, А. В. Собачкин, А. А. Ситников, В. Ю. Филимонов, В. И. Яковлев, А. Ю. Мясников, М. В. Погорельцев
Одним из перспективных методов получения алюминидов титанаявляется самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Важным фактором, от которого зависит структурофазообразование в системе Т1-А!, а также конечный фазовый состав синтезированного продукта, является соотношение исходных элементов. В этой связи в настоящей работе проведены экспериментальные исследования по выбору состава механоактивиро-ванной порошковой смеси Т + А1 для проведения дальнейших исследований по подробному анализу динамики структурно-фазовых превращений при проведении высокотемпературного синтеза Y-фазы (ТА!). В качестве объектов исследований выбраны порошки титана ПТХ и порошки алюминия АСД-1. Из указанных порошков приготавливали механическую смесь, варьируя соотношение А1 и Т по массовым процентам от 32 до 40 % А!. Затем смеси подвергали механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2 в полностью идентичных условиях: энергонапряженность мельницы 40 д, время активации 7 мин. На следующем этапе проводился высокотемпературный синтез в указанных составах и анализировались дифрактограммы продуктов синтеза. Установлено, что оптимальной является шихта состава А1(36 мас.%) + Т1, поскольку в этом случае синтезированный продукт наиболее близок к монофазному Т1А!.
Ключевые слова: порошковая смесь, механоактивация, высокотемпературный синтез, фазовый состав, алюминиды титана.
ВВЕДЕНИЕ
Проведение исследований и разработка порошковых материалов и сплавов на основе титана необходимы для авиационной, космической техники, автомобильной, энергетической промышленности. Многие страны, такие как Япония, США, Франция, Германия, Англия, с целью выхода на уровень опытно-промышленного применения проводят исследования по изучению их структурных особенностей и физико-химических свойств [1-3].
Одним из наиболее перспективных направлений в области разработки новых металлических материалов с высоким уровнем жаростойкости и термической стабильности является создание интерметаллидных сплавов системы ТнА!. Соединения на основе алюминидов титана имеют такие преимущества, как жаропрочность, модуль упругости и сравнительно низкую плотность. Также, благодаря алюминию, обладают преимуществами по удельной прочности и по уровню рабочих температур над никелевыми сплавами и традиционными титановыми соответственно.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является одним из способов получения новых материалов с использованием процессов горения. Вопросам
высокотемпературного синтеза алюминидов титана различной стехиометрии с использованием различных методов посвящено большое количество исследований [4-6].
Особенности процессов структурообра-зования и состав продуктов синтеза в бинарных порошковых смесях системы И-А! в значительной степени зависят от соотношения компонентов [7, 8]. Однако ситуация значительно усложняется в случае предварительной механоактивированной обработки исходных порошковых систем. Действительно, силовое воздействие на порошковую смесь приводит к формированию дефектов структуры компонентов [9], что, в свою очередь, может изменять границы растворимости компонентов в фазах продукта [10-12]. Эта проблема на сегодняшний день является малоизученной, и вопрос о возможности применения равновесных диаграмм к анализу процессов фазообразования для предварительно активированных бинарных смесей остается открытым.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Объектом исследования являлись порошки титана ПТХ со средним размером частиц 80 мкм и порошки алюминия АСД-1 со
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЙ ШИХТЫ Т + А1 ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ
средним размером 20 мкм. Как следует из структуры равновесной диаграммы системы ТнА1 (рисунок 1), промежуточная Y-фаза (^А1) имеет широкую область гомогенности, которая расширяется с ростом температуры вплоть до 1370 °С.
Перитектический распад фазы происходит при температуре 1450 °С. Для выбора оптимального состава для последующего проведения высокотемпературного синтеза по получению Y-фазы (Т1А!) предлагается использовать следующий критерий.
Рисунок 1 - Равновесная диаграмма состояния системы титан-алюминий
При температуре 500 °С (рисунок 1) границы растворимости алюминия в фазе приблизительно определяются интервалом от 47 до 55 ат. %. При пересчете этого диапазона в массовые проценты были получены пять составов внутри интервала области гомогенности:
1) А! (32 мас. %) + Т1;
2) А! (34 мас. %) + Т1;
3) А! (36 мас. %) + Т1;
4) А! (38 мас. %) + Т1;
5) А1 (40 мас. %) + Т1.
Эти смеси подвергали механической активации в полностью идентичных условиях: энергонапряженность мельницы 40 д, время активации 7 мин. [13-15]. Механическое измельчение проводилось в планетарной шаровой мельнице АГО-2.
На следующем этапе проводился высокотемпературный синтез в указанных составах и анализировались дифрактограммы продуктов синтеза.
Структурно-фазовый анализ образцов проводили на дифрактометре ДРОН-6, с СиК а-излучением (Л = 1,5418 А). Обработку экспериментальных данных осуществляли с помощью пакета PDWin.
Из полученных дифрактограмм выбиралась наиболее близкая к монофазному составу продукта.
1) состав А! (32 мас. %) + Т1; 2) состав А! (36 мас. %) + Ti; 3) состав А1 (40 мас. %) + Т1 Рисунок 2 - Дифрактограммы продуктов синтеза с разным составом исходной шихты
М. В. ЛОГИНОВА, А. В. СОБАЧКИН, А. А. СИТНИКОВ, В. Ю. ФИЛИМОНОВ, В. И. ЯКОВЛЕВ, А. Ю. МЯСНИКОВ, М. В. ПОГОРЕЛЬЦЕВ
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рисунке 2 представлены наиболее характерные дифрактограммы синтезированных продуктов. Как следует из анализади-фрактограмм, при составе исходной шихты А1 (32 мас. %) + Т результатом синтеза является многофазный продукт. При составе исходной шихты А1 (40 мас. %) + Т в продукте реакции преобладает Т1А1, однако присутствуют отражения ^зА1 и Тк Причем, также, как и в предыдущем случае, система находится в неравновесном состоянии, с наличием рент-геноаморфного гало на малых углах. При со-
ставе А1 (36 мас. %) + Т основным продуктом является интерметаллид ^А1, хотя наблюдается присутствие незначительного количества метастабильной фазы TiзAl5.
В таблице 1 приведены результаты дифракционного анализа фазового состава синтезированных продуктов в предварительно механоактивированных при 40 д порошковых смесях различного состава.
Из всех рассматриваемых составов ме-ханоактивированных порошковых смесей наиболее близким к монофазному является продукт, синтезированный из состава Al (36 мас. %) + и
Таблица 1 - Фазовый состав синтезированных продуктов в порошковых смесях различного состава, предварительно механоактивированных в течение 7 минут при энергонапряженности мельницы 40 д
Идентифицированные фазы после синтеза составов
Al (32 мас.%) + Ti Al (34 мас.%) + Ti Al (36 мас.%) + Ti Al (38 мас.%) + Ti Al (40 мас.%) + Ti
TiAl; TiaAl; Ti; TiAls TiAl; TiAb; Ti3Al TiAl; Ti3Al5 TiAl; Ti3Al; Ti TiAl; Ti3Al; Ti
ВЫВОДЫ
На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что оптимальным составом из механоактиви-рованной порошковой смеси является состав Al(36 мас.%) + Ti, который может в дальнейшем использоваться для подробного анализа эволюции структурно-фазовых переходов при высокотемпературном синтезе Y-фазы (TiAl).
Работа проводилась в рамках государственного задания (FZMM-2020-0002) и гранта Президента РФ (соглашение 075-152020-234).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасов, А. В. Металлургия титана / А. В. Тарасов. - М. : Академкнига, 2003. - 328 с.
2. Lasalmonie, A. Intermetallics: Why is it so difficult to introduce them in gas turbine engines / A. Lasalmonie // Intermetallics. - 2006. - V. 14. -P. 1123-1129.
3. Ночовная, Н. А. Современные жаропрочные сплавы на основе гамма-алюминида титана: перспективы разработки и применения / Н. А. Ночовная, П. В. Панин, А. С. Кочетков, К. А. Боков // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2014. - № 7 (709). - С. 23-27.
4. Wang, T. Thermoanalytical and metallograph-ical investigations on the synthesis of TiAb from elementary powders / T. Wang, J. Zhang // Materials Chemistry and Physics. - 2006. - Vol. 99. - P. 20-25.
5. Che, H. Q. Microstructural evolution during the igntion/quenching of pre-heated Ti/3Al powders [Text] / H. Q. Che, Q. C. Fan // Journal of Alloys and Compounds. - 2009. - Vol. 475. - P. 184-190.
6. Medda, E. Combination of mechanochemical activation and self-propagating behavior for the synthesis of Ti aluminides [Text] / E. Medda, F. Delogu, G. Cao // Materials Science and Engineering A. -2003. - Vol. 361. - P. 23-28.
7. Jokisaari, J. R. Microwave activated combustion synthesis of titanium aluminides / J. R. Jokisaari, S. Bhaduri, S. B. Bhaduri // Materials Science and Engineering A. - 2005. - Vol. 394. - P. 385-392.
8. Shi, Q. Synthesis, microstructure and properties of Ti-Al porous intermetallic compounds prepared by a thermal explosion reaction / Q. Shi, B. Qin, P. Feng, H. Ran, B. Song, J. Wang, Y. Ge. The // Royal Society of Chemistry. - 2015. - Vol. 5. -P. 46339-46347.
9. Kumaran, S. Nanocrystalline and amorphous structure formation in Ti-Al system during high energy ball milling / S. Kumaran, T. Srinivasa Rao, R. Subra-manian, P. Angelo // Powder Metallurgy. - 2005. -Vol. 48. - P. 354-357.
10. Ляхов, Н. З. Влияние механоактивации на процессы фазо- и сруктурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе / Н. З. Ляхов, Т. Л. Талако, Т. Ф. Григорьева. -Новосибирск : Параллель, 2008. - 168 с.
11. Korchagin, M. A. Application of self-propagating high-temperature synthesis and mechanical activation for obtaining nanocomposites / M. A. Korchagin, D. V. Dudina // Combustion Explosion and Shock Waves. - 2007. - Vol. 43. - P. 176-187.
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МЕХАНОАКТИВИРОВАННОИ ШИХТЫ Т + А! ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ
12. Механокомпозиты - прекурсоры для создания материалов с новыми свойствами / Под ред. О. И. Ломовского. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010. - 424.
13. Логинова, М. В. Структурное состояние порошковой смеси Ti-Al при различных режимах механоактивационной обработки / М. В. Логинова, А. В. Собачкин, С. Г. Иванов, В. И. Яковлев, А. А. Ситников, В. Ю. Филимонов, А. Ю. Мясников, А. З. Негодяев // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2019. -№ 2. - С. 4-14.
14. Собачкин, А. В. Получение композиционных материалов системы Ti-Al-Nb методом высокотемпературного синтеза / А. В. Собачкин, М. В. Логинова, А. А. Ситников, В. И. Яковлев, В. Ю. Филимонов, А. Ю. Мясников // Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара. - 2020. -С. 159-160.
15. Filimonov, V. Yu. Peculiarities of Phase Formation Processes in Activated Ti + Al Powder Mixture during Transition from Combustion Synthesis to High-temperature Annealing / V. Yu. Filimonov, M. V. Logino-va, S. G. Ivanov, A. A. Sitnikov, V. I. Yakovlev, A. V. So-bachkin, A. Z. Negodyaev, A. Yu. Myasnikov // Combus-
tion Science and Technology. - 2020. - Vol. 192. -Iss. 3. - P. 457-470.
Логинова Марина Владимировна - с.н.с. ПНИЛ СВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Собачкин Алексей Викторович - с.н.с. ПНИЛ СВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Ситников Александр Андреевич - директор ПВКПИиР, д.т.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Филимонов Валерий Юрьевич - профессор кафедры физики, д.ф.-м.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Яковлев Владимир Иванович - доцент кафедры НТТС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Мясников Андрей Юрьевич - зав. лабораторией, ПНИЛ СВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Погорельцев Михаил Владимирович -аспирант ПНИЛ СВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
