Влияние удельной поверхности порошков на реакционную способность и свойства алюминидов титана в условиях теплового взрыва
- Авторы: Милюкова И.В.1, Гуляев П.Ю.1, Иордан В.И.2, Сыч Т.С.1
-
Учреждения:
- Югорский государственный университет
- Алтайский государственный университет
- Выпуск: Том 11, № 2 (2015)
- Страницы: 62-66
- Раздел: Статьи
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/7324
- DOI: https://doi.org/10.17816/byusu201511262-66
- ID: 7324
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Проведено исследование влияния дисперсности, удельной поверхности и режима теплового взрыва на изменение условий тепло-отвода, на реакционную способность гетерогенной системы и свойства полученных продуктов СВС на основе эквиатомного алюминида титана.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Технология получения керамических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) основана на прямом синтезе тугоплавких неорганических соединений и интерметаллидов, сопровождающегося волновым процессом горения в гетерогенной порошковой смеси [1–3]. Большой интерес вызывают СВС-соединения на основе алюминидов титана, обладающие малым удельным весом, высокой жаростойкостью и конкурирующие с соединениями на основе алюминидов никеля [1].
Цель работы заключалась в исследовании влияния дисперсности, удельной поверхности и режима теплового взрыва на изменение условий теплоотвода, на реакционную способность гетерогенной системы и свойства полученных продуктов СВС на основе эквиатомного алюминида титана.
Методика и результаты экспериментов
Смеси для спекания были приготовлены смешиванием в течение 4–5 часов порошков титана марок ПТК, ПТОМ, ПТС и алюминия марки АСД-4 (средние размеры Alи мелких частиц ПТОМ – порядка 30 мкм, средних частиц ПТС – порядка 50–60 мкм и крупных частиц ПТК – свыше 100 мкм). Заготовки были спрессованы в виде цилиндров 30х10 мм давлением ~ 24,5 МПа на гидравлическом прессе, затем выдерживались в вакууме 30 минут, и окончательно спекались при температуре 900–1000 0С в вакуумной шахтной электропечи. Металлографические шлифы готовились механической шлифовкой и последующей полировкой на бумаге с алмазными пастами.
При нагреве образцов смесей в режиме теплового взрыва во всех случаях после достижения температуры плавления алюминия 660 оС происходил резкий подъем температуры до температур образования фаз (рис. 1): 1250 оС (TiAl2) – с применением ПТОМ, 1375 оС (TiAl3) – с применением ПТС, 1475 оС (TiAl) – с применением ПТК. Связь температур с интерметаллическими фазами устанавливалась по диаграмме фазовых состояний системы Ti-Al [1].
Рисунок 1 – Температурные кривые синтеза сжиганием смеси Ti-Al
Вывод
Реакция начинается быстрее в мелкодисперсном порошке ПТОМ. У образца с крупными частицами титана ПТК начало роста температуры имеет некоторую задержку, что можно связать с меньшей удельной поверхностью контакта у более крупных частиц, вследствие чего, по-видимому, в общем энергетическом балансе начинает преобладать процесс поглощения теплоты при плавлении алюминия.
Рентгенофазовый анализ проводился на рентгеновском дифрактометре RigakuD/MAX – 2500V/PCс вращающимся анодом ultraX18. На рентгенограммах образцов после СВ-синтезачетко выражены пики TiAl, Ti3Al, TiAl2 (рис. 2),т. е. в режиме теплового взрыва фаза TiAlреализуема. Кроме того, очевидна связь фазового состава продуктов синтеза с марками порошка титана [4]: наибольший пик TiAl2 соответствует смеси с частицами титана марки ПТОМ, а наибольшие пики Ti3Al с частицами титана марок ПТС и ПТК.
Рисунок 2 – Рентгенограммы образцов СВС-спеков с Ti марки ПТК, марки ПТС, марки ПТОМ
Анализ микроструктуры и микрорентгеноспектральный анализ синтезированных образцов (на нетравленых шлифах) проводились на растровом электронном микроскопе ZeissUltraPlus (рис. 3 а, б), а соответствующие им структуры упаковки смеси частиц Ti и Al, полученные в результате 3D-моделирования [5], изображены на рис. 3 в, г. Светлые участки на фотографиях(рис. 3 а, б) указывают на доминирование Ti в содержании компонентов, менее светлые участки –на повышение доли частиц Al и понижение доли частиц Ti (вплоть до выравнивания их соотношения).В табл. 1 указано соотношение компонентов в окрестностях выделенных точек, отмеченных на фотографиях.
Рисунок 3 – Микроструктуры образцов: а – с титаном марки ПТОМ, б – с титаном марки ПТС, в – модельная 3D-структура упаковки смеси Al-Ti марки ПТОМ, г – модельная 3D-структура упаковки смеси Al-Ti марки ПТС
Оценка пористости экспериментальных синтезированных образцов оказалась порядка 55 %, расчеты пористости по результатам 3D-моделирования структур упаковок соответствующих исходных смесей определили значение порядка 60 %, что указывает на схожесть свойств по стехиометрическим составам исходных смесей и продуктов СВ-синтеза [6–9].
Таблица 1. Соотношение компонентов в окрестности выделенных точек микроструктуры
Образец с Ti марки ПТОМ | Образец с Ti марки ПТС | ||||||
№ спектра | C | Al | Ti | № спектра | C | Al | Ti |
1 | 6.12 | 6.29 | 87.58 | 1 | 2.84 | 2.73 | 94.43 |
2 | 6.97 | 1.36 | 91.67 | 2 | 2.69 | 20.80 | 76.52 |
3 | 7.50 | 22.64 | 69.86 | 3 | 2.81 | 37.00 | 60.19 |
4 | 9.66 | 22.66 | 67.68 | 4 | 3.45 | 44.75 | 51.80 |
5 | 12.48 | 36.17 | 51.35 | 5 | 2.70 | 48.99 | 48.31 |
Механические испытания проводились на приборе INSTRON 1195. Результаты испытаний на изгиб и сжатие приведены в таблице 2.Кластерный и факторный анализ измельченных продуктов реакции проводился по методикам [10–12] по теплоывым и фототермическим параметрам СВ-синтеза.
Таблица 2. Предельная нагрузка перед разрушением образца
Тип порошка | П.п на изгиб, Мпа | П.п на сжатие, МПа | Погрешность |
ПТОМ | 38.00 | 38.50 | 6.35 |
ПТС | 30.00 | 87.00 | 25.40 |
ПТК | 33.00 | 44.50 | 7.65 |
Выводы
- Стехиометрический состав синтезируемых интерметаллидов отличается от стехиометрии исходной смеси, что обусловлено неполным участием в реакции ее компонентов: при плавлении обоих компонентов смеси конечный состав композиции зависит от их соотношения. При преобладании Ti образуется соединение Ti3Al; в области примерно равных концентраций образуется TiAl; при избытке Al образуется TiAl3; если температура спекания ниже температуры плавления Ti формируется система TiAl3-Al-Ti при любых соотношениях Ti/Al.
- Наибольшая прочность на сжатие и наименьшая на изгиб достигается при использовании порошка ПТС – анизотропия механических свойств образца в разных направлениях. Эффект анизотропии гораздо ниже с использованием порошка ПТК, и совсем исчезает использованием порошка ПТОМ.
Об авторах
Ирина Васильевна Милюкова
Югорский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: I_Milykova@ugrasu.ru
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физико-химии процессов и материалов Югорского государственного университета
Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16Павел Юрьевич Гуляев
Югорский государственный университет
Email: P_Gulyaev@ugrasu.ru
Доктор технических наук, Профессор кафедры физико-химии процессов и материалов Югорского государственного университета
Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16Владимир Иванович Иордан
Алтайский государственный университет
Email: jordan@phys.asu.ru
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вычислительной техники и электроники Алтайского государственного университета
Россия, 656049, г. Барнаул, пр-т Ленина, д.61Татьяна Сергеевна Сыч
Югорский государственный университет
Email: dark_astra@bk.ru
Студентка кафедры физико-химии процессов и материалов Политехнического института Югорского государственного университета
Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16Список литературы
- Кузнецов, С. И. Влияние состава порошковой композиции Ti-Al на процессы лазерного спекания и синтеза интерметаллидов [Текст] / С. И. Кузнецов [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. – 2005. – Т. 7, № 1. – С. 35–42.
- Структурно-фазовые изменения в порошковых СВС-материалах при плазменном нанесении покрытий [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев, И. В. Милюкова [и др.] // Известия вузов. Физика. – 2007. – № 9. – Приложение. – С. 349–352.
- Экспериментальное исследование процесса формирования высокопористой металлокерамики с наноструктурированным наполнителем методом СВ-синтеза [Текст] / П. Ю. Гуляев, Ю. И. Реутов, В. И. Иордан // Перспективные материалы. – 2008. – Ч. 2, № 6. – С. 35–40.
- Моделирование фрактальных структур упаковок порошковых материалов [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, И. В. Милюкова [и др.] // Ползуновский альманах. – № 3. – 2007. – С. 39–41.
- Иордан, В. И. Использование метода динамики мезочастиц для 3D моделирования структур упаковок сфероидальных частиц в многокомпонентных смесях [Текст] / В. И. Иордан, Т. А. Белов // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ – 2012): Материалы XI Всероссийской науч.-практ. конф. с межд. участием. – Кемерово : Практика, 2012. – Ч. 1 . – С. 45–50.
- Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes / P. Gulyaev, H. Cui, I. Gulyaev, I. Milyukova // High Temperatures-High Pressures. – 2015. – V. 44. – № 2. – Р. 83–92.
- Эффективная теплопроводность неплотно упакованных порошков в волне СВ-синтеза[Текст] / М. П. Бороненко, И. В. Милюкова, А. Е. Серегин // Вестник Югорского государственного университета. – 2013. – № 2 (29). – С. 17–22.
- Development Prospects of SHS Technologies in Altai State Technical University / V. V. Evstigneev, P. J. Guljaev, I. V. Miljukova et al. // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2006. – Т. 15. – № 1. – С. 99–104.
- In-situ selfpropagating–hightemperature–synthesis controlled by plasma / P. Yu. Gulyaev, I. P. Gulyaev, Cui Hong-zhi, I. V. Milyukova // Вестник Югорского государственного университета. – 2012. – № 2 (25). – С. 28–33.
- Photothermal effects of laser heating iron oxide and oxide bronze nanoparticles in cartilaginous tissues / P. Y. Gulyaev, M. K. Kotvanova, S. S. Pavlova et al. // Nanotechnologies in Russia. – 2012. – V. 7. – № 3–4. – P. 127–131.
- Бересток, Г. М. Система оптического контроля тепловых параметров процесса СВ-синтеза [Текст] / Г. М. Бересток, П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, И. В. Милюкова // Современные научные исследования и инновации. – 2015. – № 2–2 (46). – С. 71–81.
- Гуляев, П. Ю. Кластерный анализ и оптимизация параметров механоактивации в процессах СВ-синтеза [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова // Информационные системы и технологии. – 2009. – № 3. – С. 93–99.