Синтез, структура и свойства МАХ-фаз ti 3sic 2 и Nb 2alc

Вестник Томского государственного университета. Химия. 2015. № 1. С. 33-38

УДК 666.762

DOI: 10.17223/24135542/1/5

В.Л. Радишевский1, О.К. Лепакова2, Н.И. Афанасьев2

1 Томский государственный университет

2 Томский научный центр СО РАН

Синтез, структура и свойства МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены композиционные материалы на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. Установлены режимы СВ-синтеза, обеспечивающие в материале максимальное содержание фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. Исследованы фазовый состав и микроструктура СВС-материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез; структура; МАХ-фазы.

Создание новых материалов и технологий их производства является одной из важных научных и прикладных задач физического материаловедения. При разработке таких материалов особый интерес представляют материалы нового класса - МАХ-фазы. Это тройные соединения, которые отвечают общей формуле Мп+1АХп, где М - переходный металл; А - элемент IIIA или IVA группы периодической системы элементов; Х - углерод или азот (или оба). Отличительная особенность этих материалов заключается в строении гексагональных кристаллических решёток, в которых слои атомов элементов М и А чередуются в определённой последовательности, а атомы углерода (или азота) располагаются в октаэдрических порах между атомами элемента М. Особенности строения их кристаллических решёток обусловливают уникальное сочетание в таких материалах свойств металла и керамики. Для получения материалов на основе МАХ-фаз используют различные методы [1-5]. Основным методом получения материалов на основе МАХ-фаз является спекание, которое требует больших затрат энергии и времени. Альтернативой спеканию является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).

В настоящей работе изучены фазовый состав, микроструктура и некоторые свойства СВС-материалов на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. Для приготовления реакционных смесей использовали порошки титана марки ТПП8, кремния марки КР-1 (<20 мкм), углерода марки ПМ75 (< 0,033 мкм), ниобия (ТУ 48-4-284-73, >63) и алюминия марки АСД4.

Экспериментальная часть

Фазовый состав СВ-синтезированных материалов определяли на дифрактометре ДРОН-2 (CoK a-излучение). Для изучения микроструктуры использовали оптический (Axiovert 200M, Karl Zeiss) и растровый элек-

33

В.Л. Радишевский, О.К. Лепакова, Н.И. Афанасьев

тронный (SEM515, Philips) микроскопы. Для определения концентрации компонентов применяли микрорентгеноспектральный анализ (CAMEBAX MICROBEAM).

На рис. 1 представлена термограмма горения состава Ti-Si-C (Ti3SiC2). Максимальная температура горения составляет (2 373 + 25) К, что заметно ниже адиабатической температуры горения (3 008 К), но выше температур плавления титана (1 937 К), кремния (1 723 К), а также двойных и тройных эвтектик в исследуемой системе.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti-Si—C с избытком кремния приводит к образованию композиционного материала Ti3SiC2 - (12-18) об. % TiC (табл. 1).

Т а б л и ц а 1

Фазовый состав композитного материала в зависимости от режима обработки

Режим обработки Фазовый состав, об. %

Ti3SiC? TiC TSi2

СВС (пористый продукт) 82-88 18-12 Следы

СВС + спекание пористого продукта при 1 423 К, 4 ч 92-93 7 Следы

СВС + дробление и помол пористого продукта + спекание порошка при 1 473 K, 4 ч 93 7 Следы

СВС + дробление и помол пористого продукта + спекание порошка при 1 673 К, 4 ч 100 Следы -

Наблюдаются также следы силицидов TiSi и TiSi2. После дополнительного спекания продукта СВС в виде образца или порошка, полученного размолом, при температуре 1 473 К в течение 4 ч в вакууме 10-4 мм рт. ст. 34

34

Синтез, структура и свойства МАХ-фаз

содержание фазы Ti3SiC2 повышается до 92-98 об. %, а фазы TiC - соответственно понижается. Следы силицидов при этом сохраняются. Увеличение температуры отжига до 1 673 К при сохранении продолжительности спекания приводит к образованию однофазного материала Ti3SiC2.

На рис. 2 приведены микроструктуры изломов СВС-композиционного материала Ti3SiC2+15 об. % TiC после механических испытаний на сжатие. Видно, что материал под нагрузкой претерпел интер- и транскристаллит-ное расслоение.

а б

Рис. 2. Структура излома СВС-образца Ti3SiC2+15 об. % TiC после механических испытаний

Поскольку смесь состава 2Nb+Al+C малоэкзотермична, то получить качественный продукт на основе Nb2AlC методом СВС без дополнительных технологических приёмов не удаётся. По данным рентгенофазового анализа основной фазой в синтезированном продукте является Nb2AlQ присутствуют NbC и интерметаллид ниобия. На рис. 3 приведена структура поверхности излома. Видны характерные для МАХ-фаз зерна в виде пластин. Поскольку образец не был предварительно деформирован, то слоистая структура его зёрен не выявляется. 35

Рис. 3. Структура излома СВС-образца Nb2AlC

35

В.Л. Радишевский, О.К. Лепакова, Н.И. Афанасьев

На первом этапе исследований стояла задача получить в режиме горения материал с наноламинатной структурой в четырёхкомпонентной системе Nb-Al-C—N (аналог соединению Ti2AlN0,5C0,5). Были синтезированы и проанализированы продукты состава 2Nb+Al+0,5C, полученные в режиме горения при давлениях азота 60, 30, 15 и 4 атм. Согласно данным рентгенофазового анализа, при давлениях азота 60, 30, 15 атм образуются многофазные продукты, состоящие из Al2Nb3C, Nb4N3,9, NbC (рис. 4). И только при давлении азота 4 атм на дифрактограмме синтезированного продукта присутствуют отражения, принадлежащие Nb2AlC. Материал с МАХ-фазой Nb2AlC был получен CBC-методом при использовании химической печки (рис. 4, д).

Рис. 4. Дифрактограммы CEC-продуктов системы Nb-Al-С, синтезированных в атмосфере азота: а - при давлении 60 атм; б - при давлении 15 атм; в - при давлении 4 атм; г - в химической печи.

1 - Nb2AlC; 2 - NbC; 3 - Al2Nb3C; 4 - NbC0,5

а

б

36

Рис. 5. Микроструктуры продуктов системы Nb-Al-C, синтезированных в атмосфере азота: а - 60 атм, б - 4 атм 36

Синтез, структура и свойства МАХ-фаз

На рис. 5 приведены микроструктуры CBC-продуктов системы

Nb-Al-С, полученные при давлениях азота 60 и 4 атм. На микрофотографии 5, а пластинчатые кристаллы принадлежат тройному соединению Al2Nb3C, фазы округлой формы - Nb4N3,9 и NbC. На рис. 5, б приведена микроструктура образца, синтезированного при давлении 4 атм. Хорошо видны кристаллы пластинчатой формы, характерные для образцов с нано-ламинатной структурой.

На рис. 6 приведена микроструктура образца состава 2Nb+Al+0,5C, синтезированного CВC-методом с помощью химической печки. Большую часть объёма занимают кристаллы пластинчатой формы, которые, согласно данным рентгенофазового анализа, являются фазой Nb2AlC. Имеются округлые области, появление которых может быть связано с недостатком углерода в исходной шихте. В микроструктуре образцов состава 2Nb+Al+С таких областей нет.

Рис. 6. Микроструктура образца состава 2Nb+Al+0,5C, синтезированного с помощью химической печки

Заключение

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены композиционные материалы на основе МАХ-фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC. Установлены режимы СВ-синтеза, обеспечивающие в материале максимальное содержание фаз Ti3SiC2 и Nb2AlC.

Литература

1. Barsoum M.W., El-Raghy T. // J. Am. Ceram. Soc. 1966. Vol. 79. P. 1953-1956.

2. Goto T., Hirai T. // Mater. Res. Bull. 1987. Vol. 22. P. 1195-1201.

3. Sun Z, Zhang Y., Zhou Y. // Scr. Mater. 1999. Vol. 41, No. 1. P. 61-66.

4. Sun Z., Zhou Y. // J. Mater. Res. Innovated. 1999. Vol. 2. P. 227-231.

37

В.Л. Радишевский, О.К. Лепакова, НИ Афанасьев

5. Голдин Б.А., Истомин П.В., Рябков Ю.И. // Неорганические материалы. 1997. Т. 33, № 6. С. 691-693.

Авторский коллектив:

Радишевский Владислав Леонидович, студент физического факультета Томского государственного университета (Томск, Россия).

Лепакова Ольга Клавдиевна, канд. техн. наук, снс лаборатории гетерогенных металлических систем Томского научного центра СО РАН (Томск, Россия). E-mail: lepakova@dsm.tsc.ru Афанасьев Николай Иванович, д-р физ.-мат. наук, руководитель лаборатории гетерогенных металлических систем Томского научного центра СО РАН (Томск, Россия). E-mail: af42@yandex.ru

Tomsk State University Journal of Chemistry, 2015, 1, 33-38. DOI: 10.17223/24135542/1/5

V.L. Radishevskiy* 1, *O.K. Lepakova2, N.I Afanasiev2

1 Tomsk state university

2 Department for Structural Macrocinetics, Tomsk Scientific Centre, SB RAS

*E-mail: lepakova@dsm.tsc.ru

Synthesis, structure and characteristics of Ti3SiC2 and Nb2AlC MAX-PHASES

Composite materials on the base of Ti3SiC2 and Nb2AlC MAX-phases were obtained by the method of self-propagating high temperature synthesis (SHS). The main methods of Ti-Si-C and Nb-Al-C systems’ products of synthesis research were metal-lographic with application of optical microscopy (Axiovert 200M, Karl Zeiss) and raster electronic microscopy (SEM515, Philips). Phase composition of SH-synthesed samples was defined by diffractometer DRON-2 (CoKa-emission). Research of elemental composition was made by electron microprobe analyzer CAMEBAX MICROBEAM.

SH-synthesis in Ti-Si-C system lead to formation of the porous composite material Ti3SiC2 - (12-15)vol. % TiC. Vacuum annealing of synthesis’ products in the temperature of1670К during 4 hours or sintering of powders after grinding of composite material Ti3SiC2 - (12-15)vol. % TiC in the same regimes lead to obtainment of almost single-phase product consisting of the titanium carbolized Ti3SiC2. Research of SHS-composite material kink microstructures Ti3SiC2-TiC showed that material under the load undergoes inter- and transcrystalline bundle.

Products with composition of 2Nb+Al+0,5C were synthesed by the method of SHS. Synthesis was made in the nitrogen atmosphere in the pressures of 60, 30, 15 and 4 atm. Methods of x-ray diffraction metallographic analysis showed that the highest content of Nb2AlC Max-phase contains in samples, sythesed in nitrogen pressure of 4 atm. Samples, synthesed in nitrogen pressure of 15,30 and 60 atm., besides (Nb2AlC) MAX-phase contain NbC, Al2Nb3C, NbC05. 2Nb+Al+0,5C and 2Nb+Al+C compositions’ products synthesed by SHS metods by the chemical furnace (Ti + 0,8C) were also researched. In the both cases the most part of grinds’ surface volume is occupied by leaf shaped crystals which according to the data of x-ray diffraction analysis are Nb2AlC Max-Phase. Microstructure of composition 2Nb+Al+0,5C samples besides leaf shaped crystals (Nb2AlC) contains rounded regions. Because microstructure of composition 2Nb+Al+C samples doesn’t have such regions, we may assume that its appearance is related to the lack of carbon in the original charge.

Keywords: self-propagating high temperature synthesis (SHS); structure; MAX-Phases.

38