ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ti-Al-SiC, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
, ,
ФГБУН Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, г. Хабаровск
E-mail: *****@***ru
Методом порошковой металлургии с использованием исходных чистых порошков титана, алюминия и карбида кремния, получены композиционные материалы, содержащие MAX-фазы. Использовалось два режима спекания в вакуумной печи с выдержкой при температурах 1300°C и 1400°C в течение одного часа. Методами оптической и электронной микроскопии изучена структура сплава. С помощью дифрактометра определен фазовый состав каждого композита. Исследованы твердость, прочность и жаростойкость материалов. Показано, что наиболее оптимальным режимом спекания является нагрев до 1400°С композиции (3Ti-Al)+15%SiC. Данный материал состоит из двух фаз – Ti2AlC и Ti5Si3Cx, а также отвечает относительно высоким показателям прочности и жаростойкости.
Введение. Поиск новых составов композиционных материалов и исследование их свойств является актуальной задачей современного машино - и авиастроения, в том числе при использовании аддитивных технологий [1]. Так, например, использование селективного лазерного спекания для получения цельных сложнопрофилированных изделий, предполагает применение композитов с высокой температурой плавления и способностью сохранять исходный фазовый состав после воздействия. Среди таких материалов с уникальными свойствами можно выделить композиты на основе тугоплавких MAX-фаз (где М – переходный d-металл; А – p-элемент (например, Si, Ge, Al, и др.); Х – углерод или азот), которые, благодаря своему строению (ламинатная структура), обладают низкими плотностью, электросопротивлением и высокими значениями трещиностойкости, прочности и жаростойкости [2].
Наибольший интерес представляют MAX-фазы систем Ti-Al-C и Ti-Si-C. Известно несколько методов получения таких соединений. Так, например, в работе [3] описан процесс синтеза фазы Ti3SiC2 в виде тонких слоёв, полученных химическим осаждением из газовой фазы. Методом магнетронного распыления в вакууме получено покрытие авторами работы [4]. Для создания объемных образцов, содержащих MAX-фазы, используют метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [5], который отличается высокой скоростью процесса и возможностью применения в качестве исходных компонентов оксидных соединений. В тоже время данный способ не позволяет добиться высокой чистоты материала и отличается сложностью в контроле процесса. Для синтеза MAX-фаз применимы методы горячего прессования [6], механического легирования [7], литья [8], плазменного спекания [9] и др. Использование методов порошковой металлургии дает возможность регулировать соотношение фаз и структуру композитов за счет варьирования состава исходной шихты и режимов спекания. Данный способ отличается относительной простотой, при этом позволяет получить материалы, практически не содержание примеси. В предыдущей работе нами методом высокотемпературного спекания был синтезирован материал, содержащий MAX-фазу Ti2AlC [10].
В настоящей работе решалась задача получения и исследования композиционных материалов на основе интерметаллида Ti-Al с различным содержанием в исходной смеси карбида кремния.
Методика и материалы. Для составления исходной смеси использовались: порошок титана марки ПТОМ-1, порошок алюминия ПА-1 и порошок карбида кремния. Составы готовили из соотношения Ti:Al = 3:1 (что соответствует 84 масс.% Ti и 16 масс.% Al) с добавкой к этой смеси порошка SiC в количестве 5; 10 и 15 масс.%. Смешивание и измельчение производилось в планетарной мельнице PM 400. Внешний вид порошка и распределение частиц по размерам показано на рис. 1. Далее применялся метод холодного прессования с последующим спеканием в вакуумной печи Carbolite STF при давлении 10-2 Па при температурах спекания 1300 и 1400 °С и продолжительности спекания 1 час с последующим охлаждением с печью. Анализ фазового состава проводился на дифрактометре ДРОН-7 (CuK?-излучение). Структура исследовалась с применением электронного микроскопа JEOL «JCM-6000». Показатели жаростойкости определяли на приборе синхронного термического анализа Netzsch «STA 449 F3 Jupiter» (воздух, равномерный нагрев до 1200°C и выдержка 5 ч.). Микротвердость исследовалась на микротвердомере ЛОМО ПМТ-3. Предел прочности при трехточечном поперечном изгибе изучали с помощью испытательного пресса ИП-250М (расстояние между опорами 14 мм).
|
|
а | б |
Рис. 1 РЭМ-изображение частиц смеси Ti-Al-SiC после измельчения (а) и гранулометрический состав (б) |
Результаты и обсуждение.
Исследованы процессы фазообразования для всех трех составов (рис. 2). При температуре спекания 600-700°C формируется интерметаллидная фаза TiAl3. Дальнейшее спекание приводит к насыщению данного соединения атомами титана и образуется Ti3Al. Этот алюминид титана является основным в структуре композита (3Ti:Al)+5%SiC. Также, согласно реакции SiC+Ti>TiC+Si, происходит формирование карбида титана, решетка которого является базой для кристаллизации карбосилицида титана. Присутствие в составе спеченных материалов MAX-фазы Ti2AlC отмечено для образцов с исходным содержанием карбида кремния более 10%. Композиционный материал (3Ti:Al)+15%SiC состоит только из двух фаз - Ti2AlC и Ti5Si3Cx.
|
Рис. 2 Дифрактограммы образцов с различным содержанием карбида кремния в исходной смеси, спеченных при температуре 1400°C |
Микроструктура композитов представлена на рис. 3. Относительно невысокое содержание карбида кремния в порошковой смеси обуславливает малое количество фазы Ti5Si3Cx в структуре (светлые области на рис. 3-а). В образце (3Ti:Al)+10%SiC в матрице Ti3Al отмечены двухфазные «островки», состоящие из Ti2AlC и Ti5Si3Cx. Увеличение относительного содержания карбида кремния в исходной шихте приводит к формирования равномерно распределенных в структуре композиционного материала двух MAX-фаз.
|
|
|
a | b | c |
Рис. 3 РЭМ-изображения микроструктуры образцов, полученных спеканием: a - (3Ti:Al)+5%SiC, b - (3Ti:Al)+10%SiC, c - (3Ti:Al)+15%SiC |
На показатели прочности исследуемых материалов, в первую очередь, должно влиять объемное содержание MAX-фаз, слоистое строение которых положительно сказывается на значения сопротивления при поперечном изгибе. В целом, данный тезис подтверждается для всех образцов (рис. 4). Так, образец с минимальным содержанием Ti5Si3Cx и отсутствием Ti2AlC, при температуре спекания 1300°С, является менее прочным. Повышение температуре синтеза поводит к росту прочности. При этом для образца (3Ti:Al)+15%SiC значения прочности максимальны и сопоставимы с таковыми для монофазных материалов из MAX-фазы.
|
Рис. 4 Предел прочности на изгиб образцов с различным содержанием SiC и температурой спекания. |
Микротвердость измерялась для отдельных зерен в спеченных образцах. На числа микротвердости, в основном, влияет относительное содержание конкретных фаз в месте индентирования. Относительно высокое содержание карбида титана в образце (3Ti-Al)+10%SiC способствует росту микротвердости. Композит, состоящий только из двух MAX-фаз, легче поддается механической обработке. Также, присутствие этих фаз положительно влияет на относительную стойкость к высокотемпературному окислению (табл. 1).
Таблица 1. Значения микротвердости и жаростойкости для исследованных образцов
Образец | Микротвердость, ГПа | Жаростойкость, привес массы, % |
(3Ti-Al)+15%SiC |
| 13,6 |
(3Ti-Al)+10%SiC |
| 16,2 |
(3Ti-Al)+5%SiC |
| 25,5 |
Предварительные исследования показали, что композиционные материалы с различным содержанием SiC после спекания можно подвергнуть измельчению в течение 30-40 минут для получения мелкодисперсного порошка, с сохранением фазового состава.
Л И Т Е Р А Т У Р А
Композиционные материалы и история их внедрения в авиационные кон-струкции / , , // Научный вестник ГосНИИ ГА, 2015 - №7. – с. 24-37. Свойства материалов на основе MAX-фаз (обзор) / , // Вестник ПНИПУ, 2015. - Т. 17, № 4. – с. 120-138. Fakih H. Phase Equilibria and Reactive Chemical Vapor Deposition (RCVD) of Ti3SiC2 / H. FakihS. JacquesO. Dezellus et al. // Journal of Phase Equilibria and Diffusion, 2008. – V. 29, № 3. - pp 239–246. Tang C. Synthesis and characteri-zation of Ti2AlC coatings by magnetron sputtering from three elemental targets and ex-situ annealing / C. Tang, M. Klimenkov, U. Jaentsch et al. // Surface and Coatings Technology, 2017. – V.309. – pp. 445-455. Gorshkov V. A. High-temperature synthesis of a cast material with a maximum content of the max phase Cr2AlC / V. A. Gorshkov, P. A. Mi-loserdov, M. A. Luginina, N. V. Sachkova, A. F. Belikova // Inorganic Materials, 2017. – V. 53, № 3. – pp. 271–277. Prikhna T. A. Mechanical properties of materials based on MAX phases of the Ti-Al-C system / T. A. Prikhna, S. N. Dub, A. V. Starostina et al. // Journal of Superhard Materials, 2012. – v. 34, № 2. – pp. 102–109. Atazadeh N. Reviewing the effects of different additives on the synthe-sis of the Ti3SiC2 MAX phase by mechanical alloying technique / Navid Atazadeh, Mina Saeedi Hey-dari, Hamid Reza Baharvandi, Naser Ehsani // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2016. – V.61. – pp. 67-78. Ziqi Sun Surface Chemistry, Dispersion Behavior, and Slip Casting of Ti3AlC2 Suspensions / Ziqi Sun, Meishuan Li, Longfei Hu e al. // Journal of the Amer-ican Ceramic Society, 2009. – V. 92, № 8. – pp. 1695–1702. Farle A.-S. M. Oxidation and self-healing behaviour of spark plasma sintered Ta2AlC / Ann-Sophie M. Farle, Julia Stikkelman, Sybrandvan der Zwaag et al. // Journal of the European Ceramic Society, 2017. – v.37, № 5. – pp. 1969-1974. Получение МАХ-фазы системы Ti–Al–C методом порошковой ме-таллургии / , , // Перспективные мате-риалы, 2016. - №3. – с. 75-80.