УДК 621.762
Ю. А. Шишкина, Г. А. Баглюк, А. А. Мамонова, И. Б. Тихонова
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И АЛЮМИНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРОШКОВОЙ ЛИГАТУРЫ СИСТЕМЫ Al-Ti-C В ПРОЦЕССЕ РЕАКЦИОННОГО СИНТЕЗА
Введение
Дисперсно-упрочненные металломатричные композиты на основе алюминиевых сплавов находят все большее применение в качестве конструкционных материалов благодаря их уникальным механическим свойствам. В качестве упрочняющей керамической добавки к алюмиевым сплавам наиболее часто используются SiC, Al2O3, TiC или TiB2 [1-7]. При этом, авторы [2] считают, что среди отмеченных добавок наиболее привлекательным является карбид титана вследствие его высоких твердости и модуля упругости, низкого удельного веса и хорошей смачиваемости сплавами алюминия. Параметры решетки частиц карбидов переходных металлов, особенно TiС, в наибольшей степени близки к параметру решетки твердого раствора алюминия [3]. Кроме того, частицы карбида титана являются эффективными центрами зародышеобразования α-Al [2] при кристаллизации литых алюминиевых сплавов.
Упрочняющие частицы в алюмоматричные композиты вводят обычно либо их механическим смешиванием с порошком алюминия (при использовании методов порошковой металлургии), либо прямым введением в расплав алюминия (в случае применения литейного передела) [2].
Однако, такие методы не позволят в полной мере реализовать возможности дисперсного упрочнения вследствие неудовлетворительной смачиваемости частиц карбида титана алюминием из-за наличия на их поверхности оксидных пленок [4, 5]
Более предпочтительным является метод введения упрочняющих фаз в расплав алюминия с использованием лигатур системы Al–Ti–C [4], синтезируемых в результате in- situ реакции между Al, Ti и углеродом, в результате которой образуются дисперсные частицы карбида титана в алюминии при температурах ниже 900 0С.
Однако известно [2], что для обеспечения эффекта дисперсного упрочнения или зародышееобразования частицы TiC должны обладать стабильностью в расплаве, тогда как по данным ряда работ [4], карбид титана может достаточно легко вступать в реакцию, в частности - с алюминием, с образованием хрупкой фазы Al4C3, что приводит к резкому деградированию свойств композита. При этом, принимая во внимание, что наиболее распространенные технологические схемы получения таких сплавов включают операцию литейного передела, эффективность дисперсного упрочнения последних в таком случае может в значительной мере снижаться.
В связи с этим, представляет интерес альтернативный технологический подход, предусматривающий синтез лигатуры из элементарных порошков Al, Ti и С с ее последующим использованием для получения спеченного (или прошедшего дополнительную горячую обработку давлением) алюмоматричного композита. Предполагается, что в результате in-situ реакции при синтезе лигатуры межзеренные границы между частицами упрочняющей фазы и алюминием будут свободны от оксидов, что существенно повышает межфазную прочность, а сами частицы карбида титана будут иметь субмикронный размер и достаточно гомогенное распределение по объему, что приводит к повышению механических свойств композита [6, 3].
В связи с этим задачей настоящей работы было изучение влияние содержания компонентов смеси (порошков Al, Ti и С) на структуру прекурсоров (лигатур), полученных в результате реакционного синтеза.
Экспериментальный раздел
В качестве исходных компонентов при приготовлении шихты для последующего реакционного синтеза использовали порошки алюминия (марки ПА-4), титана (марки ПТХ-80) и углерода. Для оценки влияния соотношения компонентов смеси на структуру и свойства синтезированных лигатур было выбрано четыре состава исходной шихты, включающих различное содержание алюминия (35, 40 и 45 масс. %), а также различное расчетное значение стехиометрии карбидной составляющей (ТiС), образующейся в результате реакционного синтеза – стехиометрический (№ 2 и 3, табл. 1) и нестехиометрический (№ 1 и 4).
Таблица 1. Содержание исходных смесей для синтеза лигатур
| № смеси | Содержание элементов, % (масс.) | ||
| Al | C | Ti | |
| 40,0 | 6,0 | 54,0 | |
| 45,0 | 11,0 | 44,0 | |
| 35,0 | 13,0 | 52,0 | |
| 35,0 | 9,75 | 55,25 |
Исходные смеси прессовали под давлением 500 МПа, а термическую обработку шихты проводили в герметичной камере, заполненной технически чистым аргоном, на установке косвенного индукционного нагрева при температуре 950 ºС, 1 час.
Микроструктуру полученных лигатур исследовали с помощью металлографического микроскопа XJL-17AT. Травление образцов проводиди в 40 %-ном растворе NaOH. Были также проведены микроспектральный анализ, рентгенофазовый анализ на установке ДРОН-3М и дифференциальный термический анализ (ДТА) на установке Q-1500D.
Выводы
Результаты микроспектрального анализа, рентгенофазового анализа и дифференциального термического анализа лигатур, полученных реакционным синтезом из порошковых смесей различного состава позволили установить, что для всех исследуемых составов исходных смесей при их нагреве происходит in-situ выделение частиц карбита титана TiC и сложных карбидов титана-алюминия. При этом, если для составов с большим содержанием углерода (10÷13 %) преобладающей упрочняющей фазой являются сферические частицы карбида титана, то в образцах с его минимальным содержанием (6 %) и достаточно большим содержанием алюминия (40 %) в структуре синтезированного материала преобладают разорентированные вытянутые иглоподобные зерна сложных карбидов титана-алюминия. Наибольшей дисперсностью частиц упрочняющей фазы характеризуется сплав, синтезированный из смеси состава 45% Al-11% C-44% Ti, где процентное содержание алюминия и титана практически равно.
1. Баглюк Г. А. Новые композиционные дисперсно-упрочненные материалы на основе сплавов алюминия / Г. А. Баглюк, Ю. А. Шишкина // Технологические системы. – 2011. - № 4. – С.36-43.
2. Tong X. C. Fabrication of in situ TiC reinforced aluminum matrix composites / X.C. Tong, A.K. Gosh // Journal of materials science. – 2001. – Vol. 36. – P. 4059-4069.
3. Луц. А. Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов: автореф. дис.канд. техн. наук: 01.04.17 / А. Р. Луц. – Самара, 2006. – 25 с.
4. Selcuk C. Al–TiC composite made by the addition of master alloys pellets synthesised from reacted elemental powders / C. Selcuk, A.R. Kennedy // Materials Letters. – 2006. – Vol. 60. – P. 3364-3366.
5. Zhang Х. New In-situ Synthesis Method of Magnesium Matrix Composites Reinforced with TiC Particulates / Х. Zhang, L. Liao, M. Naiheng // Materials Research. – 2006. – Vol. 9. - № 4. – P. 357-360.
6. Ding Hai-min Influence of Si on stability of TiC in Al melts / Hai-min Ding, Xianga-fa Liu // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2011. – Vol. 2. - № 4. – P. 1465-1472.
7. Kevorkijan V. Fabrication and characterization of TiAl/Ti3Al-based intermetallic composites (IMCs) reinforced with ceramic particles / V. Kevorkijan, S.D. Škapin // Materials Science and Engineering. – 2009. – Vol. 40. – P. 75-83;
8. Анциферов В.Н. Спеченные сплавы на основе титана / В.Н. Анциферов, В.С. Устинов, Ю.Г. Олесов . – М.: Металлургия, 1984. – 168 с.
9. Ивченко В.И. Исследование абразивных свойств тройных соединений в системах Ti-Al-C и Ti-Al-N / В.И. Ивченко, Т.Я. Косолапова // Порошковая металлургия. – 1976. - №8. – с. 56-59.
10. Ляхов Н.З. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспостраняющемся высокотемпературном синтезе / Н.З. Ляхов,Т.Л. Талако, Т.Ф. Григорьева – Новосибирск: Параллель, 2008. – 168 с.
11. Zou Y. Synthesis reactions for Ti3AlC2 through pulse dischargesintering Ti/Al4C3/TiC powder mixture / Y. Zou, Z.M. Sun, S. Tada, H. Hashimoto // Scripta Materialia. – 2006. – Vol. 55. – P. 767-770.
12. Романов Г.Н. Дилатометрические исследования жидкофазного спекания системы Al-Ti / Г.Н. Романов, П.П. Тарасов, П.К.Дьячковский, А.П. Савицкий // Известия Томского политехнического университета.. – 2006. - №1. – с. 114-119.
13. Viala J.C. Chemical compatibility between aluminium base matrices and light refractory carbide reinforcements // J.C. Viala, P. Fortier, J. Bouix // Journal of Materials Science. – 1998. – Vol. 7. – P. 74-83.
14. Ge Zhenbin Combustion synthesis of ternary carbide Ti3AlC2 in Ti–Al–C system / Zhenbin Ge, Kexin Chen, Junming Guo // Journal of the European Ceramic Society. – 2003. – Vol. 23. – P. 567-574.
15. Wang P. Synthesis of Ti2AlC by hot pressing and its mechanical and electrical properties / P. Wang, B-C. Mei, X-L. Hong // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2007. – Vol. 17. – P. 1001-1004.
16. Zhu J. Fabrication of Ti3AlC2/Al2O3 Nanocomposite by a Novel Method / J. Zhu, L. Ye. F. Wang // Science of Sintering. – 2011. – Vol. 43. – P. 289-294.
17. Khoptiar Y. Ti2AlC ternary carbide synthesized by thermal explosion / Y. Khoptiar, I. Gotman // Materials Letters. – 2002. – Vol. 57. – P. 72-76.
18. Wang X.H. Layered Machinable and Electrically Conductive Ti2AlC and Ti3AlC2 Ceramics: a Review / X.H. Wang, Y.C. Zhou // J. Mater. Sci. Technol. – 2010. – Vol. 26 (5). – P. 385-416.
19. Stolin A.M. Hot Forging of MAX Compounds SHS-Produced in the Ti – Al – C System / A.M. Stolin, D. Vrel, S.N. Galyshev, A. Hendaoui // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2009. – Vol. 18. – P. 194-199.