Синтез композиционного материала из смеси Ti+2B и композитных частиц 3Ni+Al в режиме горения

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Пористый композит интерметаллид/керамика с взаимопроникающими фазами получен самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) в образцах модельной системы Ni–Al–Ti–B. Исходная шихта готовилась из композитных гранул (состав 3Ni+Al), полученных механическим активированием, и порошковой смеси титана и бора (состав Ti+2B). СВС реализован в режиме горения. В волне горения протекали две основные химические реакции: между алюминием и никелем в гранулах и между титаном и бором в смеси вокруг гранул. При горении вокруг гранул формировался пористый каркас из TiB2, в который происходила инфильтрация расплава алюминидов никеля из гранул. Твердая фаза СВС-продукта содержит взаимопроникающие мелкозернистые каркасы диборида и интерметаллида. Композит имеет развитую разномасштабную пористость.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. А. Пономарев

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: map@ism.ac.ru
Russian Federation, Черноголовка

В. Э. Лорян

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Email: map@ism.ac.ru
Russian Federation, Черноголовка

Н. А. Кочетов

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Email: map@ism.ac.ru
Russian Federation, Черноголовка

References

  1. Kota N., Charan M.S., Laha T., Roy S. Review on Development of Metal/Ceramic Interpenetrating Phase Composites and Critical Analysis of Their Properties // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 2. P. 1451–1483. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.09.232
  2. Hyjek P., Sulima I., Jaworska L. Characteristics of the NiAl/Ni3Al Matrix Composite with TiB2 Particles Fabricated by High Pressure – High Temperature Sintering // Arch. Metall. Mater. 2017. V. 62. № 3. P. 1511–1520. https://doi.org/10.1515/amm-2017-0234
  3. Shokati A.A., Parvin N., Shokati M. Combustion Synthesis of NiAl Matrix Composite Powder Reinforced by TiB2 and TiN Particulates from Ni–Al–Ti–BN Reaction System // J. Alloys Compd. 2014. V. 585. P. 637–643. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.09.020
  4. Fraś E., Janas A., Kurtyka P., Wierzbiński S. Structure and Properties of Cast Ni3Al/TiC and Ni3Al/TiB2 Composites. Part II. Investigation of Mechanical and Tribological Properties and of Corrosion Resistance of Composites Based on Intermetallic Phase Ni3Al Reinforced with Particles of TiC and TiB2 // Arch. Metall. Mater. 2004. V. 49. № 1. P. 113–141.
  5. Hayat M.D., Singh H., He Z., Cao P. Titanium Metal Matrix Composites: An Overview // Composites. Part A. 2019. V. 121. P. 418–438. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.04.005
  6. Kumar V.M., Venkatesh C.V. A Comprehensive Review on Material Selection, Processing, Characterization and Applications of Aluminium Metal Matrix Composites // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. № 7. Р. 072001. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab0ee3
  7. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. М.: Торус Пресс, 2007. 336 с.
  8. Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р. Применение процессов инфильтрации и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения керметов. Обзор // Изв. вузов. Цв. металлургия. 2021. Т. 27. № 6. С. 52–75. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-6-52-75
  9. Боровинская И.П. К вопросу о регулировании состава, структуры и свойств СВС-продуктов // Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса /Под ред. Мержанова А.Г. Черноголовка: Территория, 2003. 368 с. https://www.ism.ac.ru/handbook/shs_concept.pdf
  10. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: МИСиС, 2011. 377 с.
  11. Алымов М. И., Уваров В. И., Капустин Р. Д., Кириллов А. О., Лорян В. Э. Синтез нанопористых керамических материалов для фильтрации жидкостей и газов методом технологического горения // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2020. № 2. C. 55–63. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-2-55-63
  12. Ma L., Cui H. Z., Cao L. L., Teng F. L., Cui N., Liu L. The Synthesis of Porous TiC–TiB2–NiAl Composites by SHS // Adv. Mater. Res. 2013. V. 634–638. P. 2110–2118. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr. 634-638.2110
  13. Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Милюкова И.В., Ширяев С.А., Трифонов А.Л., Серегин А.Е. Разработка СВС-каталитических материалов на основе наноструктурированных интерметаллидов и цеолитов для решения экологических проблем транспорта // Вестн. Югорского гос. ун-та. 2009. №2 (13). С. 23–28.
  14. Ayers R., Burkes D., Gottoli G., Yi H.C., Moore J.J. The Application of Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Engineered Porous Composite Biomedical Materials // Mater. Manufact. Proc. 2007. V. 22. № 4. P. 481–488. https://doi.org/10.1080/10426910701235967
  15. Liu P. S., Chen G. F. Fabricating Porous Ceramics // Porous Materials. N.Y.: Elsevier, 2014. P. 221–302. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-407788-1.00005-8
  16. Пономарев М.А., Лорян В.Э. Синтез пористых композиционных материалов при горении смеси порошков титана, сплава ВТ6 и аморфного бора // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 8. С. 816–822. https://doi.org/10.1134/S0002337X18080158
  17. Пономарев М.А., Лорян В.Э. Синтез композиционного материала в системе Al–Ti–B при горении порошков титана, бора и плакированных алюминием гранул сплава ВТ6 // Перспект. материалы. 2019. № 3. С. 62–73. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2019-3-62-73
  18. Пономарев М.А., Лорян В.Э. Синтез пористого композиционного материала при горении порошков титана, бора и гранул плакированного никелем алюминия // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2020. № 2. С. 44–54. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-2-44-54
  19. Пономарев М.А., Лорян В.Э., Кочетов Н.А., Щукин А.С. Синтез композиционного материала при горении порошков титана, бора и механически активированной смеси алюминия и никеля // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 2. С. 141–149. https://doi.org/10.31857/S0002337X22020117
  20. Рогачев А.С. Механическая активация гетерогенных экзотермических реакций в порошковых смесях // Успехи химии. 2019. Т. 88. № 9. С. 875–900. https://doi.org/10.1070/RCR4884
  21. Кочетов Н.А., Ковалев И.Д. Рентгенографическое исследование структурных изменений при механической активации смеси Ni + Al с использованием порошков никеля, полученных разными способами // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 2. С. 215–218. https://doi.org/10.1134/S0002337X19020052
  22. Мержанов А.Г. Термически сопряженные процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Докл. Академии наук. 2010. Т. 434. № 4. С. 489–492.
  23. Корчагин М.А., Григорьева Т.Ф., Бохонов Б.Б., Шарафутдинов М.Р., Баринова А.П., Ляхов Н.3. Твердофазный режим горения в механически активированных СВС-системах I. Влияние продолжительности механической активации на характеристики процесса и состав продуктов горения // Физика. горения и взрыва. 2003. Т. 39. № 1. С. 51–59.
  24. Кочетов Н.А., Сеплярский Б.С. Зависимости скоростей горения и максимальных температур синтеза от начальной температуры образцов из исходной и активированных смесей Ti + Ni // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 9. С. 39–44. https://doi.org/10.31857/S0207401X20090058
  25. Корчагин М.А., Григорьева Т.Ф., Бохонов Б.Б., Шарафутдинов М.Р., Баринова А.П., Ляхов Н.3. Твердофазный режим горения в механически активированных СВС-системах II. Влияние режимов механической активации на характеристики процесса и состав продуктов горения // Физика. горения и взрыва. 2003. Т. 39. № 1. С. 60–68.
  26. Осипов Д.А., Смирнов И.В., Гриняев К.В., Дитенберг И.А., Корчагин М.А. Влияние продолжительности механической активации на структуру и механические свойства порошковой смеси 3Ni-Al и образцов Ni3Al, полученных искровым плазменным спеканием // Междунар. конф. “Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии” (5–9 октября 2020 г.) Томск: Изд-во ТГУ, 2020. С. 296. https://doi.org/10.17223/9785946219242/189.
  27. Filimonov V. Yu., Korchagin M. A., Smirnov E. V., Sytnikov A. A., Yakovlev V. I., Lyakhov N. Z. Kinetics of Mechanically Activated High Temperature Synthesis of Ni3Al in the Thermal Explosion Mode // Intermetallics. 2011. V. 19. № 7. P. 833–840. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.11.028
  28. Корчагин М.А., Григорьева Т.Ф., Баринова А.П., Ляхов Н.З. Твердофазный режим самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Докл. Академии наук. 2000. Т. 372. № 1. С. 40–42.
  29. Корчагин М.А., Ляхов Н.3. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в механически активированных составах // Хим. физика. 2008. Т. 27. № 1. С. 73–78.
  30. Корчагин М.А., Филимонов В.Ю., Смирнов Е.В., Ляхов Н.3. Тепловой взрыв механически активированной смеси 3Ni + Al // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. № 1 С. 48–53.
  31. White J.D.E., Reeves R.V., Son S.F., Mukasyan A.S. Thermal Explosion in Al−Ni System: Influence of Mechanical Activation // J. Phys. Chem. A. 2009. V.113. № 48. P. 13541–13547. https://doi.org/10.1021/jp905175c
  32. Lapshin O.V., Boyangin E.N. Macrokinetics of Thermal Explosion in a 3Ni-Al System Mechanically Activated in a Low-Energy Mill // J. Alloys Compd. 2023. V. 948. Р. 169790. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169790
  33. Biswas A., Roy S.K. Comparison between the Microstructural Evolutions of Two Modes of SHS of NiAl: Key to a Common Reaction Mechanism // Acta Mater. 2004. V. 52. № 2. P. 257–270. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.018
  34. Pietrak K., Wiśniewski T.S. A Review of Models for Effective Thermal Conductivity of Composite Materials // J. Power Technol. 2015. V. 95. № 1. P. 14–24. https://papers.itc.pw.edu.pl/index.php/JPT/article/view/463. Accessed November 8, 2023.
  35. Михеев В.А., Сулаберидзе В.Ш., Мушенко В.Д. Моделирование теплопроводности трехкомпонентных композиций // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 7. С. 584–591. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2016-59-7-584-591
  36. Karkhin V.A. Thermophysical Properties of Metals // Thermal Processes in Welding. Engineering Materials. Singapore: Springer, 2019. P. 41–54 https://doi.org/10.1007/978-981-13-5965-1_2
  37. Ковалев О.Б., Неронов В.А. Металлохимический анализ реакционного взаимодействия в смеси порошков никеля и алюминия // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. № 2. С. 52–60.
  38. Munir Z.A., Anselmi-Tamburini U. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Hard Materials. Handbook of Ceramic Hard Materials/ Ed. Riedel R. N.Y.: Wiley, 2000. P. 322–373. https://doi.org/10.1002/9783527618217.ch11
  39. Попов Д.А., Огородов Д.В., Трапезников А.В. Альтернативные источники борсодержащего сырья для производства лигатуры Al–B (обзор) // Тр. ВИАМ. 2015. № 10. С. 41–47. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2015-0-10-7-7
  40. Розенбанд В., Гани А. Синтез порошка диборида магния в режиме теплового взрыва // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 34–39.
  41. Ларина Т.В., Перминов В.П., Соснов А.Н., Неронов В.А. Методы получения боридов алюминия и магния // Сб. статей по материалам международного научного конгресса “Интерэкспо Гео-Сибирь” (25 апреля 2007 г.). Новосибирск: Интерэкспо Гео-Сибирь, 2007. Т. 4. № 1. С. 109–112.
  42. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в 3т./ Под общ. ред. Лякишева Н.П. М.: Машиностроение, 2001.
  43. Wang K., Fu Z.Y., Wang W.M., Wang Y.C., Wang H., Zhang J.Y., Zhang Q.J. Study on the Thermodynamics and Kinetics in the Combustion Reaction between Titanium and Boron Powders // Key Eng. Mater. 2007. V. 351. P. 189–194. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.351.189
  44. Gurevich L., Pronichev D., Trunov M. Structure Formation Mechanisms during Solid Ti with Molten Al Interaction // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016. V. 116. Р. 012011. https://doi.org/10.1088/1757-899X/116/1/012011
  45. An Q., Cong X., Shen P., Jiang Q. Roles of Alloying Elements in Wetting of SiC by Al // J. Alloys Compd. 2019. V. 784. P. 1212–1220. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.138
  46. Zhunkovskii G.L., Grigoriev O.N., Vedel D.V. Interaction of Titanium Diboride with Nickel and Ni–20% Cr Alloy (Nichrome) // Powder Metall. Met. Ceram. 2022. V. 60. № 9–10. P. 586 –596. https://doi.org/10.1007/s11106-022-00271-3
  47. Ploetz S., Nowak R., Lohmueller A., Sobczak N., Singer R.F. Wettability of Low Weight Borides by Commercial Aluminum Alloys − A Basis for Metal Matrix Composite Fabrication // Adv. Eng. Mater. 2016. V. 18. № 11. P. 1884. https://doi.org/10.1002/adem.201600297
  48. Xi L., Kaban I., Nowak R., Korpała B., Bruzda G., Sobczak N., Mattern N., Eckert J. High-Temperature Wetting and Interfacial Interaction between Liquid Al and TiB2 Ceramic // J. Mater. Sci. 2015. V. 50. P. 2682–2690. https://doi.org/10.1007/s10853-015-8814-6
  49. Passerone A., Valenza F., Muolo M.L. A Review of Transition Metals Diborides: from Wettability Studies to Joining // J. Mater. Sci. 2012. V. 47. P. 8275–8289. https://doi.org/10.1007/s10853-012-6621-x
  50. Дохов М.П., Шериева Э.Х. Смачиваемость тугоплавких боридов непереходными и несколькими переходными металлами группы железа и расчет их межфазных характеристик // Изв. Кабардино-Балкарского гос. ун-та. 2021. Т. 11. № 3. С. 9–15.
  51. Xi L., Kaban I., Nowak R., Bruzda G., Sobczak N., Eckert J. Wetting, Reactivity, and Phase Formation at Interfaces between Ni–Al Melts and TiB2 Ultrahigh-Temperature Ceramic // J. Am. Ceram. Soc. 2018. V. 101. P. 911–918. https://doi.org/10.1111/jace.15188
  52. Jin P., Liu Y., Sun Q., Lin Q., Li J., Chen K., Feng J. Wetting of Liquid Aluminum Alloys on Pure Titanium at 873–973 K // J. Mater. Res. Technol. 2019. V. 8. P. 5813–5822. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.09.050
  53. Yang D., Qiu F., Zhao W., Shen P., Wang H., Jiang Q. Effects of Ti-coating Layer on the Distribution of SiCP in the SiCP/2014Al Composites // Mater. Des. 2015. V. 87. P. 1100–1106. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.09.089
  54. Mutale C.T., Krafick W.J., Weirauch D.A. Direct Observation of Wetting and Spreading of Molten Aluminum on TiB2 in the Presence of a Molten Flux from the Aluminum Melting Point up to 1033 K (760 °C) // Metall. Mater. Trans. B. 2010. V. 41. P. 1368–1374. https://doi.org/10.1007/s11663-010-9435-8
  55. Weirauch D.A., Krafick W.J., Ackart G., Ownby P.D. The Wettability of Titanium Diboride by Molten Aluminum Drops // J. Mater. Sci. 2005. V. 40. P. 2301–2306. https://doi.org/10.1007/s10853-005-1949-0
  56. Padamata S.K., Singh K., Haarberg G.M., Gudrun S. Wettable TiB2 Cathode for Aluminum Electrolysis. A Review // J. Sustain. Metall. 2022. V. 8. P. 613–624. https://doi.org/10.1007/s40831-022-00526-8
  57. Gabbasov R.M., Shulpekov A.M., Kitler V.D. Capillary Spreading of Copper Melt over SHS-Produced NiAl // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2020. V. 29. P. 52–54. https://doi.org/10.3103/S1061386220010033

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Installation: 1 - thermocouple, 2 - insulator, 3 - shell (outer diameter - De, inner diameter - Di, length - L0), 4 - press (diameter D = Di, length - L), 5-7 - igniting press, mixture and spiral, 8 - recorder, 9 - video camera, 10 - computer

Download (92KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Rate and maximum temperature of combustion of mixtures as a function of the average size d of (3Ni+Al)m pellets

Download (66KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperatures in the combustion wave for mixtures 1-3 (a) and temperature derivative for mixture 3 (b)

Download (81KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Structural transformations (schematically) (g) in the unit cell of the mixture 0.4(3Ni + Al)m + 0. 6(Ti + 2B) in the combustion wave: a - initial structure in the heating zone, t ~ 20-200 °C (1); b - structure in the reaction zone in (3Ni+Al)m pellets: at t ~ 200-700 °C (2) and 700-1230 °C (3); c - in the zone of solid-phase reactions in Ti+B mixture at t ~1230-1680 °C (4); d - in the zone of liquid-phase reaction of Ti+2B at t > 1680 °C (5); e - in the zones of reaction at 1680 < t < 2000 °C (5) and ‘afterburning’ at 1385 °C < t < 2000 °C (6); f - in the zones of ‘afterburning’ and cooling: at t < 2000 °C (6) and t < 1385 °C (7)

Download (712KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Phase composition of SHS product (mixture 3)

Download (86KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Macrostructure of TiB2-Ni3Al (slit): mixtures 1 (a), 2 (b), 3 (c)

Download (241KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Microstructure of TiB2-Ni3Al (slit) and elemental composition (at. %) in points: mixtures 1 (a, d), 2 (b, e), 3 (c, f)

Download (790KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Microstructure of TiB2-Ni3Al at the fracture and pore surface (a-c) and elemental composition (at. %) at the points, mixture 1

Download (252KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences