Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СИНТЕЗ КОМПОЗИТА TIB2–30CRB МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Щербаков А.В. 1 Баринов В.Ю. 1 Щукин А.С. 1 Ковалев И.Д. 1 Щербаков В.А. 1 Маликина Т.Д. 2 Альхименок А.И. 2
1 ФГБУН «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН»
2 ГО «Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению»
Работа посвящена получению керамического композита TiB2–30CrB конструкционного назначения на основе тугоплавких боридов титана и хрома методом электротеплового взрыва (ЭТВ) под давлением. Метод сочетает джоулевый нагрев реакционной смеси, экзотермический синтез и консолидацию горячего продукта ЭТВ. Длительность ЭТВ составляет несколько секунд. Изучено влияние электрического напряжения на закономерности ЭТВ, формирование фазового состава, микроструктуру и физико-механические характеристики керамических композитов. Показано, что продуктами синтеза являются TiB2 (дисперсная фаза) и CrB (керамическая связка). Плавление связки в ходе ЭТВ обеспечивает получение плотных композитов. Установлено, что увеличение электрического напряжения приводит к уменьшению температуры воспламенения и росту максимальной температуры ЭТВ. Контролируемый джоулевый нагрев образца позволил управлять температурным режимом экзотермического синтеза и физико-механическими характеристиками композитов. Максимальная микротвердость по Виккерсу композитов составила 3100 кг/мм2.
электротепловой взрыв (ЭТВ)
керамический композит
бориды
микротвердость
1. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. – М.: Торус Пресс, 2007. – 336 с.
2. Kurbatkina V.V. et al. Combustion and structure formation in the mechanoactivated Cr-B system // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2008. – Т. 17, № 3. – С. 189–194.
3. Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Сачкова Н.В., Самохин А.В. СВС-компактирование керамических композитов на основе боридов титана и хрома // Письма о материалах. – 2015. – Т. 5, № 1. – С. 20–23.
4. Попов К.В., Князик В.А., Штейнберг А.С. Исследование высокотемпературного взаимодействия Ti с B методом электротеплового взрыва // ФГВ. – 1993. – Т. 29, № 1. – C. 82–87.
5. Щербаков В.А., Телепа В.Т., Щербаков А.В. Получение композитных материалов на основе плавленого карбида титана методом электротеплового взрыва под давлением // Композиты и наноструктуры. – 2016. – Т. 8, № 1. – С. 70–80.
6. Liu X., Song X., Zhang J. Current distribution and neck growth during spark plasma sintering conductive powder // International Journal of Computer Aided Engineering and Technology. – 2008. – Т. 1, № 1. – Р. 94–104.

Диборид титана (TiB2) обладает высокой температурой плавления, износостойкостью, твердостью и стабильностью свойств в широком температурном интервале. Эти свойства делают его перспективным материалом для создания изделий с высоким ресурсом работы при высокой температуре и в условиях абразивного износа [1]. Недостатком материала является хрупкость, что ограничивает область его применения.

Актуальной задачей является разработка композиционных материалов на основе боридов переходных металлов. Они обладают высокой прочностью и трещиностойкостью материала при сохранении высокой твердости и химической стойкости. Керамические композиты на основе диборида титана используются в различных отраслях промышленности для изготовления износостойких неперетачиваемых режущих пластин, элементов легкой керамической брони, защитных экранов, стойких к воздействию радиации и др.

Керамические композиты на основе боридов титана и хрома были получены методом СВС-компактирования [2, 3]. Он позволяет эффективно получать плотные композиты в оптимальном тепловом режиме. Однако ограниченный запас химической энергии затрудняет получение композитов с низкой остаточной пористостью.

В данной работе предлагается получать керамические композиты методом электротеплового взрыва (ЭТВ) под давлением [4, 5]. Метод включает джоулевый нагрев реакционной смеси до температуры воспламенения и синтезированного продукта после завершения реакции. Комбинированный электрохимический источник нагрева позволит получить композиты с минимальной остаточной пористостью.

Целью работы является исследование влияния параметров ЭТВ на фазовый состав, микроструктуру и физико-механические характеристики композитов TiB2–30CrB.

Методика эксперимента и характеристики реагентов

Для синтеза керамических композитов использовали реакционные смеси порошков титана, хрома и бора, рассчитанные на формирование композита TiB2–30CrB в соответствии с реакцией

0,7(Ti + 2B) + 0,3(Cr + B) → 0,7TiB2 + 0,3CrB.

Схема реакции предусматривает образование двухфазного продукта в виде диборида титана с гексагональной структурой и моноборида хрома с орторомбической. Образование фаз с различной кристаллической структурой необходимо для формирования в целевом продукте жидкой фазы CrB, обеспечивающей повышение пластичности горячего продукта синтеза и получение беспористого керамического композита.

В табл. 1 представлены характеристики исходных порошков и их содержание в реакционной смеси.

На рис. 1 представлены микрофотографии порошков титана (а), бора (б) и хрома (в). Видно, что частицы титана и хрома имеют дендритную форму с округлой поверхностью, а форма частиц бора близка к сферической.

Исходные порошки предварительно сушили в муфельной печи при температуре 150 °С для удаления влаги. Порошки смешивали в шаровой мельнице объемом 6 л в течение 2 часов при массовом соотношении шаров и шихты 3:1. Цилиндрическиеобразцывысотой h = 12 и диаметром d = 20 мм прессовали давлением 110 МПа до относительной плотности 0,5.

На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки для синтеза керамического композита методом ЭТВ под давлением. Она состоит из реакционной пресс-формы, пневматического пресса, трансформатора тока, тиристорного регулятора электрической мощности и системы регистрации тепловых и электрических параметров процесса. Для обеспечения электрического контакта между образцом и пуансоном использовали порошок карбида титана с размером частиц менее 100 мкм, а в качестве диэлектрической среды, окружающей образец, использовали порошок диоксида кремния с размером частиц менее 500 мкм. Пористая среда обеспечивала передачу давления и удаление примесного газа, выделяющегося в ходе экзотермического взаимодействия.

Таблица 1

Характеристики исходных порошков и состав реакционной смеси

Реагент

Марка порошка

Чистота реагента, % мас.

Размер частиц, мкм

Содержание в смеси, мас. %

Ti

ПТМ

99

<45

48,22

B

черный

98

<0,2

26,94

Cr

ПХ-1

99,3

<20

24,84

 

cherb1a.tif cherb1b.tif cherb1c.tif

Рис. 1. Микрофотографии порошков титана (а), бора (б) и хрома (в)

cherb2.tif

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для синтеза композитов методом ЭТВ под давлением: 1) пуансон; 2) диэлектрическая футеровка; 3) корпус пресс-формы; 4) пористая электропроводящая среда; 5) реакционный образец; 6) основание пресс-формы; 7) термопара, 8) пористая диэлектрическая среда

Исследуемый образец нагревали джоулевым теплом до воспламенения. Температуру в центре образца измеряли вольфрам-рениевой термопарой диаметром 200 мкм. В ходе ЭТВ регистрировали мгновенные значения электрического тока и напряжения с частотой 10 кГц. Полученные значения преобразовывали в действующие значения и представляли в виде временных зависимостей.

Фазовый состав продуктов ЭТВ определяли дифрактометром «ДРОН-3». Микроструктурные исследования проводили методом растровой электронной микроскопии с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа сверхвысокого разрешения ZeissUltraPlus. Твердость композитов по Виккерсу измеряли универсальным твердомером ИТ 5010-01.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 3, а представлены термограммы ЭТВ, полученные при давлении 96 МПа и электрических напряжениях U (В): 1) 9,5; 2) 7,4; 3) 3,5. Видно, что ЭТВ включает стадии предвзрывного нагрева и теплового взрыва. Тепловой взрыв осуществляется при достижении температуры воспламенения, при которой происходит срыв теплового равновесия в системе.

Экспериментальные результаты показали, что электрическое напряжение оказывает существенное влияние на параметры ЭТВ. Увеличение электрического напряжения от 3,5 до 9,5 В приводит к уменьшению времени предвзрывного нагрева от 26,2 до 3,6 секунд, уменьшению температуры воспламенения от 1000 до 500 К и увеличению максимальной температуры ЭТВ от 2500 до 3000 К (рис. 3, а). В этих условиях в продуктах ЭТВ TiB2 находился в твердом (Тпл = 3500 К), а CrB – в жидком состоянии (Тпл = 2400 К). Максимальная температура ЭТВ практически совпадает с адиабатической температурой горения, рассчитанной с помощью программы «Thermo».

На рис. 3, б, в, г, представлены зависимости изменения электрических параметров ЭТВ (U, I, R) от величины электрического напряжения. В ходе ЭТВ на стадии предвзрывного разогрева действующее значение электрического напряжения постоянно, при этом электрическое сопротивление образца существенно уменьшается. Это связано с электроспеканием металлических частиц и увеличением поверхности контакта между реагентами [6]. При теплом взрыве происходит резкое уменьшение электрического напряжения и сопротивления образца и резкое увеличение электрического тока, связанное с компактированием образца при высокой температуре. Тепловые и электрические параметры изменяются одновременно за время 50 мс, что указывает на режим теплового взрыва. После теплового взрыва значения электрических параметров не изменяются.

На рис. 4 представлены рентгенограммы керамических композитов TiB2–30CrB, полученных при давлении 96 МПа и электрических напряжениях: 1) 9,5; 2) 7,4; 3) 3,5 В. Видно, что композиты содержат TiB2 с гексагональной и CrB с орторомбической сингонией. Интенсивность главных дифракционных пиков больше у фазы диборида титана, что объясняется ее большим массовым содержанием в композите.

На рис. 5 представлены микроструктуры сколов керамических композитов, полученных P 96 МПа и U (В): а) 3,5; б) 7,4; в) 9,5. На рис. 5, а, видно, что макропоры в композите, полученном при U = 3,5 В, достигают размера 100 мкм. При увеличении электрического напряжения пористость композита уменьшается.

На рис. 6 представлены микроструктуры шлифов композитовTiB2–30CrB, полученных при P = 96 МПа и U (В): а) 3,5; б) 9,5. Композиты содержат зерна TiB2 (темная фаза), находящиеся в матрице из CrB (светлая фаза). Видно, что зерна имеют шестигранную форму, характерную для фазы с гексагональной структурой решетки, и равномерно распределены в композите. Связка практически полностью заполнила поровое пространство, так как расплавленный моноборид хрома хорошо смачивает поверхность зерен диборида титана.

Величина электрического напряжения оказывает влияние на размер синтезируемых дисперсных частиц. При U = 3,5 В средний размер зерен составляет 1–2 мкм (рис. 6, а). С увеличением электрического напряжения до U = 9,5 В размер зерен дисперсной фазы увеличивается до 3–5 мкм (рис. 6. б). Увеличение размера частиц обусловлено увеличением температуры ЭТВ. Результаты измерения микротвердости композитов TiB2–30CrB по Виккерсу представлены в табл. 2. При увеличении электрического напряжения от 3,5 до 9,5 В микротвердость композита увеличивается в два раза.

cherb3a.tif cherb3b.tif

cherb3c.tif cherb3d.tif

Рис. 3. Временные зависимости тепловых (а) и электрических (б, в, г) параметров ЭТВ, полученные при Р = 96 МПа и U (В): 1) 9,5; 2) 7,4; 3) 3,5

cherb4.tif

Рис. 4. Рентгенограммы композитов TiB2–30CrB, полученных при давлении 96 МПа и электрических напряжениях: 1) 9,5; 2) 7,4; 3) 3,5 В

cherb5a.tif cherb5b.tif

cherb5c.tif

Рис. 5. Микроструктуры сколов композитов TiB2–30CrB, полученных при Р = 96 МПа и U (В): а) 3,5; б) 7,4; в) 9,5

cherb6a.tif cherb6b.tif

Рис. 6. Микроструктуры шлифов композитов TiB2–30CrB, полученных при Р = 96 МПа и U (В): а) 3,5; б) 9,5

Таблица 2

Параметры ЭТВ и полученных керамических композитов TiB2–30CrB

Электрические параметры

Температура, К

Размер зерна

TiB2, мкм

Микротвердость по Виккерсу, кг/мм2

U, В

I, кА

Тig

Тm

3,5

0,5

1070

2420

1–2

1519–1682

7,4

1,2

650

2890

2–3

2060–2523

9,5

2,0

500

2980

3–5

2713–3132

 

Выводы

1. Методом ЭТВ под давлением синтезирован керамический композит TiB2–30CrB.

2. Изучен фазовый состав конечного продукта ЭТВ. Показано, что в ходе ЭТВ смеси титана, хрома и бора происходит полное превращение исходных реагентов в конечный продукт TiB2–30CrB.

3. Изучено влияние параметров ЭТВ на микроструктуру и физико-механические характеристики керамических композитов. Показано, что с увеличением электрического напряжения увеличиваются плотность, размер зерна дисперсной фазы и микротвердость композита.

4. Установлено, что, изменяя электрические параметры ЭТВ, можно управлять характеристиками композитов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 17-58-04081 Бел_мол_а).


Библиографическая ссылка

Щербаков А.В., Баринов В.Ю., Щукин А.С., Ковалев И.Д., Щербаков В.А., Маликина Т.Д., Альхименок А.И. СИНТЕЗ КОМПОЗИТА TIB2–30CRB МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА ПОД ДАВЛЕНИЕМ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 11-2. – С. 344-349;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41946 (дата обращения: 11.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074