CC BY
905.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.04.024 УДК 538.97
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЙ СМЕСИ Л + Л1, ОБЛУЧЕННОЙ ГАММА-КВАНТАМИ С МАЛОЙ МОЩНОСТЬЮ ДОЗЫ
А. А. Ситников, М. В. Логинова, А. В. Собачкин, В. И. Яковлев, В. Ю. Филимонов, А. Ю. Мясников, М. Р. Сыровежкин
Для реализации «тонкого» управления структурой в механоактивированных порошковых материалах перед проведением высокотемпературного синтеза используется Y-облучение. Проведены экспериментальные исследования по влиянию воздействия Y-квантов с малой мощностью дозы на фазовое состояние механоактивированных порошковых смесей Т + А1. Выявлены особенности реализации последующего высокотемпературного синтеза в такой системе с разными временами экзотермической выдержки (после окончания непосредственно химической реакции между компонентами). Также изучено воздействие гамма-облучения на фазовое состояние синтезированных продуктов. Механоактивированная смесь соответствовала стехиометрическому составу Т(64 мас.%) + А1(36мас.%). Мощность дозы Y-облучения составляла 0,1 Гр/с. Уровень воздействия Y-квантов характеризовался поглощенными дозами DY = 1103 Гр и DY = 2104 Гр. Экспериментально установлено, что облучение с малой мощностью (0,1 Гр/с) не приводит к формированию монофазного ТА1 при реализации высокотемпературного синтеза в режиме теплового взрыва. Продукты синтеза содержат интерме-таллидные соединения: ТА1, ТА13, Т'13А1, а также остаточный Т'1.
Ключевые слова: порошковая смесь, механоактивация, Y-облучение, высокотемпературный синтез, рентгеновская дифрактометрия, фазообразование.
ВВЕДЕНИЕ
Последние десятилетия активно развивающимся направлением создания новых перспективных материалов является метод высокотемпературного синтеза, с использованием предварительной механической активации порошковой смеси [1]. Данный способ позволяет проводить синтез в твердофазном режиме при низких температурах инициирования процесса. Сначала производится кратковременная механическая активация порошковой смеси с использованием энергонапряженных аппаратов [2]. Затем реализуется высокотемпературный синтез соединения. Разогрев смеси должен происходить достаточно быстро [3, 4] для того, чтобы дефекты, образовавшиеся при механоактивации, в процессе синтеза не успевали релаксировать. Достаточно высокие температурные градиенты и необходимый высокий темп разогрева активированной смеси может обеспечить синтез в режиме теплового взрыва в условиях динамического нагрева [5], что может способствовать формированию монофазного продукта [6]. Также управление фазовым составом может обеспечить время выдержки системы после реализации процессов первичного структурообразования (высокотемпературный отжиг). Однако совмещением механоак-тивации и синтеза не всегда можно получить искомые соединения без наличия в продукте
дополнительных фаз. Для реализации более «тонкого» управления структурой в механоак-тивированных порошковых материалах перед проведением высокотемпературного синтеза используется Y-облучение. Выявлено, что после радиационного воздействия на материалы определенными мощностью и дозами формируется особое состояние вещества [710], меняются параметры ячеек компонентов, происходят изменения структуры и свойств, приводящие к изменению термических параметров синтеза и процессов структуро- и фа-зообразования в системе. Так, в работах [11, 12] установлено, что при воздействии Y-облучения с мощностью дозы 1 Гр/с на механически активированную (время механоактивации 7 мин). При энергонапряженности (40 д) порошковую смесь, с последующим проведением процесса высокотемпературного синтеза, в результате реакции формируется строго монофазный продукт состава "ЛА1. При этом рост времени отжига способствует стабилизации соединения. В связи с этим особый интерес вызывает воздействие на меха-ноактивированную шихту Т + А1 Y-облучением с меньшей мощностью с целью получения монофазного соединения "ЛА1.
Таким образом, целью настоящей работы является исследование влияния Y-облучения с малой мощностью дозы активированной порошковой смеси состава Т + А1 на конеч-
ныи продукт при реализации высокотемпературного синтеза.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
В качестве объектов исследовании использовалась механоактивированная порошковая смесь состава Т (64 мас. %) + А1 (36 мас. %). Механоактивацию проводили в планетарной шаровой мельнице АГО-2 в аргоновой атмосфере, время 7 мин., центростремительное ускорение 40 д, методика проведения описана в [13, 14].
Облучение экспериментальных образцов Y-квантами проводилось на уникальной научной станции «Стенд ЭЛВ-6» (ИЯФ СО РАН, г. Новосибирск). Мощность дозы Y-об-лучения составляла 0,1 Гр/с. Уровень воздействия Y-квантов характеризовался поглощенными дозами DY, которые составляли: 1-103 Гр и 2104 Гр.
Высокотемпературный синтез в режиме теплового взрыва механоактивированных и Y-облученных смесей осуществлялся на базе СВЧ индукционного нагревателя, позволяющего генерировать электромагнитную энергию в широком диапазоне мощности. Подробная методика представлена в работах [15, 16].
Фазовый анализ образцов проводился на дифрактометре рентгеновском общего назначения ДРОН-6, СиКа-излучение (Л = 1,5418 А). Дифрактограммы всех образцов регистрировались в идентичных условиях, что позволило более корректно сравнивать полученные величины. Шаг сканирования h = 0,05°, время экспозиции t = 3 с. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью пакета программ PDWin.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рисунке 1 приведены дифрактограм-мы смеси, механоактивированной в течение 7 мин. при энергонапряженности 40 д и последующего Y-облучения с мощностью 0,1 Гр/с с поглощенными дозами DY: 1103; 2104 Гр.
Из анализа дифрактограмм следует, что после воздействия Y-облучения увеличивается интенсивность дифракционных отражений обоих компонентов, уменьшается уровень диффузного фона (минимальный при DY = 1103 Гр).
После воздействия Y-облучения наблюдается увеличение значений интенсивности дифракционных отражений обоих компонентов с повышением поглощенной дозы. Уровень диффузного фона минимален при ма-
лой дозе поглощения DY = 110 Гр. Исходя из этого, косвенно можно предположить, что воздействие Y-облучения с малой мощностью и малыми дозами способно незначительно повышать кристалличность структуры компонентов смеси и стабилизировать неравновесную систему.
Рисунок 1 - Дифрактограммы порошковых смесей состава Т (64 мас. %) + А1 (36 мас. %) после механоактивации и Y-облучения
Далее были проведены исследования по реализации высокотемпературного синтеза в механоактивированной и Y-облученной шихте Т + А1.
Проведя анализ экспериментальных данных, полученных в процессе синтеза порошковых смесей, облученных с разными дозами, качественного различия между термограммами синтеза не обнаружено.
На рисунке 2 представлена характерная термограмма теплового взрыва в механоактивированной порошковой смеси Т + А1 при DY = 2104 Гр.
Рисунок 2 - Характерная термограмма теплового взрыва в механоактивированной и облученной порошковой смеси Т + А1, DY = 2104 Гр
Из анализа термограммы следует, что температура воспламенения механоактиви-рованной и облученной смеси ниже темпера-
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЙ СМЕСИ Т + А1, ОБЛУЧЕННОЙ Y - КВАНТАМИ С МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ДОЗЫ
туры плавления легкоплавкого компонента и составляет Tig = 430 ± 10 °С. Максимальная температура синтеза Tmax = 1100 ± 20 °С. Таким образом, инициирование теплового взрыва происходит в твердой фазе, за счет высокой скорости нагрева около 500 K/мин.
• ТЛ13 *TiAI
* aTi
< Ti,AI
Для определения влияния изменения времени изотермического отжига на фазовый состав смеси нагрев смеси продолжался после достижения максимальных температур для непрерывного перехода быстропроте-кающего синтеза в изотермический отжиг.
• TiAI3 *TiAI
vTyU, < Ti3AI •aTi
7 мин. вьщ.
7 мин. выд.
2 мин. выд.
0 мин. выд.
2 МИН. ВЫД.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 2Theta
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
2Theta
а)
б)
Рисунок 3 - Дифрактограммы продуктов при реализации СВС с разным временем изотермического отжига в порошковой смеси Т + А1, подверженной механоактивации и Y-облучению с дозами: а) DY = 1103 Го, б) DY = 2104 Го
На рисунке 3 приведены дифрактограммы синтезированных продуктов из механоак-тивированных и облученных на разных дозах смесей при отключении системы сразу после завершения химической реакции (время отжига т = 0 мин.), а также при времени изотермического отжига т = 2 мин. и т = 7 мин.
Анализируя дифракторграммы продукта синтеза без отжига (т = 0 мин.), установлено, что после облучения смеси с DY = 2104 Гр количество отражений в продукте увеличилось, по сравнению с дозой DY = 1103 Гр. Однако результатом синтеза в обоих случаях является многофазный продукт с доминирующей фазой ^А13.
После отжига 2 мин. и 7 мин. при синтезе в активированных и облученных смесях Т + А1 в обоих случаях результатом является многофазный продукт. Продукты синтеза содержат интерметаллидные соединения: ^А1, ^А13, Т^А1, а также остаточный Тк При этом на дифрактограммах наблюдается высокий диффузный фон и рентгеноаморфное гало, свидетельствующие о формировании неравновесного состояния фаз интерметаллидов.
ВЫВОДЫ
При изучении воздействия Y-облучения на механически активированную смесь Т + А1 с последующим проведением процесса высокотемпературного синтеза с варьированием временем выдержки системы установлено,
что облучение с низкой мощностью (0,1 Гр/с) не приводит к формированию стабильной y-фазы TiAl, продукт синтеза многофазный, включающий основные соединения TiAl, TiAl3, TiaAl.
Работа проводилась в рамках государственного Задания (FZMM-2020-0002) и гранта Президента РФ (соглашение 075-152020-234).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Динамические режимы теплового взрыва. III Температурное поле при нагреве и вопросы перехода от воспламенения к зажиганию / А. Г. Стру-нина, В. Т. Гонтковская, А. Г. Мержанов // Физика горения и взрыва. - 1965. - № 3. - С. 36-40.
2. Тепловой взрыв при линейном нагреве / В. В. Барзыкин // Физика горения и взрыва. - 1973. -№ 1. - С. 37-54.
3. A novel technique for producing NiTi shape memory alloying using the thermal explosion mode of combustion synthesis / H. C. Yi, J. J. Moore // Scripta Metallurgica et Materialia. - 1988. - V. 22. - P. 18891892.
4. Methodological principles in studying chemical reaction kinetics under conditions of programmed heating / A. G. Merzhanov, V. V. Barzykin, A. S. Shteinberg, V. T. Gontkovskaya // Thermochimica Acta. - 1977. -№ 21. - P. 301-332.
5. Effect of heating rate on the combustion synthesis of Ti-Al intermetallic compounds / H. C. Yi, A. Petric, J. J. Moore // Journal of Material Science. -1992. - V. 27. - P. 6797-6806.
6. One-step synthesis and densification of na-nostructured TiSi2-SiC composite from mechanically
activated (TiC + 3Si) powders by high-frequency-induced heated combustion / I. Shon, H. K. Park, H. C. Kim, J. K. Yoon, K. T. Hong, I. Y. Koa // Scripta Materialia. - 2007. - V. 56. - P. 665-668.
7. Diffuse X-ray scattering measurements of point defects and clusters in iron / R. E. Stoller, F. J. Walker, E. D. Specht, D. M. Nicholson, R. I. Barabash, P. Zschack, G. E. Ice // Journal of Nuclear Materials. -2007. - V. 367-370. - P. 269-275.
8. Positron generation through laser compton scattering gamma ray / D. Li, K. Imasaki, S. Miyamoto, K. Horikawa, S. Amano, T. Mochizuki // Applied Physics Letters. - 2009. - V. 94. - Iss. 9. -P. 091112.
9. Modification of surface functionality and inter-layer spacing of multi-walled carbon nanotubes using Y-rays / Zhiwei Xu, Chunying Min, Lei Chen, Liang-sen Liu, Guangwei Chen, Ning Wu // Journal of Applied Physics. - 2011. - V. 109. - Iss. 5. - P. 054303.
10. The Evolution of Structural and Phase States of Titanium Aluminides after y Irradiation in Small Doses / M. V. Loginova, V. I. Yakovlev, A. A. Sitnikov, A. V. Sobachkin, S. G. Ivanov, A. Z. Negodyaev, A. V. Gradoboev // Physics of Metals and Metallography. - 2017. - Vol. 118. - № 2. - P. 170-175.
11. Synchrotron in situ studies of mechanical activation treatment and Y-radiation impact on structural-phase transitions and high-temperature synthesis parameters during the formation of Y-(TiAl) compound / M. Loginova, A. Sobachkin, A. Sitnikov, V. Yakovlev, V. Filimonov, A. Myasnikov, M. Sharafutdinov, B. To-lochko, A. Gradoboev // Journal of Synchrotron Radiation. - 2019. - Vol. 26. - Iss. 5. - P. 1671-1678.
12. Dynamics of structure formation processes in mechanically activated powder mixture Ti + Al under conditions of continuous heating. High temperature stage / V. Yu Filimonov, M. V. Loginova, S. G. Ivanov, A. A. Sitnikov, V. I. Yakovlev, A. V. Sobachkin,
A. Z. Negodyaev, A. Yu. Myasnikov, B. P. Tolochko, M. R. Sharafutdinov // Materials Chemistry and Physics. - 2020. - Vol. 243. - P. 122611.
13. Структурное состояние порошковой смеси Ti-Al при различных режимах механоактивацион-ной обработки / М. В. Логинова, А. В. Собачкин, С. Г. Иванов, В. И. Яковлев, А. А. Ситников,
B. Ю. Филимонов, А. Ю. Мясников, А. З. Негодяев // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2019. - № 2. - С. 4-14.
14. Формирование структурных состояний в механоактивированных порошковых смесях Ti + Al, подвергнутых гамма-облучению / М. В. Логинова,
B. И. Яковлев, В. Ю. Филимонов, А. А. Ситников, А. В. Собачкин, С. Г. Иванов, А. В. Градобоев // Письма о материалах. - 2018. - Т. 8. - № 2. -
C. 129-134.
15. Особенности структурно-фазовых переходов в механоактивированной порошковой смеси 3TI + AL при высокотемпературном синтезе в условиях нагрева высокочастотными электромагнитными полями / В. Ю. Филимонов, А. А. Ситников, М. В. Логинова, А. З. Негодяев, В. И. Яковлев, Д. В. Шрейфер // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2015. - Т. 12. -№ 1. - С. 16-25.
16. Stimulation of processes of self-propagating high temperature synthesis in system Ti + Al at low temperatures by influence of Y-quanta / A. V. Sobachkin, M. V. Loginova, A. A. Sitnikov, V. I. Yakovlev, V. Yu. Filimonov, A. V. Gradoboev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2018. -Vol. 327. - P. 032051.
Ситников Александр Андреевич - директор ПВКПИиР, д.т.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Логинова Марина Владимировна - с.н.с. ПНИЛСВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Собачкин Алексей Викторович - с.н.с. ПНИЛ С ВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Яковлев Владимир Иванович - доцент кафедры НТТС, к.т.н., 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: anicpt@rambler. ru.
Мясников Андрей Юрьевич - зав. лабораторией, ПНИЛСВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Сыровежкин Михаил Романович - аспирант ПНИЛСВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
