Влияние инициирующих магнийсодержащих смесей на полноту протекания СВС-реакции при получении композиционного сплава Al-10%TiC

УДК 536.74

ВЛИЯНИЕ ИНИЦИИРУЮЩИХ МАГНИЙСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ НА ПОЛНОТУ ПРОТЕКАНИЯ СВС-РЕАКЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМПОЗИЦИОННОГО СПЛАВА А1-10%Т1С

Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент Ионов Максим Константинович, магистрант Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В работе приведены результаты исследования влияния магнийсодер-жащих инициирующих смесей 1)Mg; 2)Mg+CuO; 3) Mg+NiO; 4) Mg+Fe2O3 на протекание процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а также структуру композиционного сплава Al-10%TiC.

Ключевые слова: алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, композиционный сплав, карбид титана, инициирующая смесь, магний.

Неотъемлемой частью современного технического развития является внедрение новых высокоэффективных материалов и технологий их получения. Дисперсно армированные алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ) выгодно отличаются универсальностью и сравнительной простотой технологии изготовления. Искусственное введение в структуру пластичных сплавов алюминия тугоплавких, высокодисперсных и высокомодульных частиц карбида титана обеспечивает высокие механические свойства, в том числе в условиях действия повышенных температур, при сохранении малого удельного веса и других важных свойств алюминия. Карбид титана и алюминий обладают одним типом решетки (ГЦК), а их параметры кристаллической решётки близки по значению, что в полной мере способствует созданию на их основе перспективных материалов.

АМКМ, армированные дискретными частицами тугоплавкой фазы карбида титана А1-ТЮ могут изготавливаться разными способами, однако объективно лучшими технологиями их получения признаны жидкофазные способы [1,2], применение которых, что немаловажно, позволяет использовать традиционное литейное оборудование. Жидкофазное соединение компонентов композиционных сплавов может осуществляться двумя способами: введением готовых армирующих частиц в матричный расплав (ех-бйи), например механическим замешиванием, и за счет проведения химической реакции синтеза упрочняющих частиц непосредственно в расплаве (т-БЙи). При этом все большее распространение получает последний способ, так как в этом случае обеспечиваются наиболее плотный контакт и хорошая связь (адгезия) между фазами композиционного сплава.

Одним из наиболее перспективных методов т-БЙи за счёт своей простоты, энергоэффективности и производительности признан процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в расплаве. Суть его состоит в том, что экзотермическая смесь порошковых компонентов

вносится в разогретый расплав алюминия, эта смесь нагревается, а затем в локальной точке инициируется реакция между порошковыми компонентами. Поскольку реакция экзотермическая, далее, за счет выделения собственного тепла, происходит ступенчатый нагрев всей порошковой шихты и, соответственно, идет распространение реакции. Современные разработки в этой области уже позволили синтезировать по описанной схеме ряд лигатур, а также композиционный сплав А1 - (5-15%) ТЮ [3], для получения которого в расплав алюминия добавляли СВС-шихту, состоящую из порошков технического углерода и титана стехиометрического состава. Однако, несмотря на то, что прочность получаемого АМКМ удалось довести до значительной величины (206 МПа), остается нерешенной одна проблема, препятствующая внедрению технологии в производство - не всегда полноценно проходящий по объему синтез и, как следствие, наличие на изломе точечных включений из остатков непрореагировавшей шихты. Анализ механизма формирования карбидной фазы позволил сделать предположение: после ввода порошковой смеси в расплав, полноценная СВС-реакция проходит только по границам, в местах непосредственного соприкосновения шихты с расплавом алюминия; далее в этих местах образуется плотный карбидный слой (агломерат), не пропускающий жидкий алюминий вглубь, поэтому внутри и остается непрореагировавшая шихта, фиксируемая затем на изломе [4]. Решением данной проблемы может стать введение в состав шихты дополнительных компонентов. Во-первых, это может быть чистый магний, имеющий температуру плавления 924К. Согласно основным принципам магнийтермической технологии магний вступит в реакцию и с оксидом титана, неизбежно находящимся на поверхности частиц, и с углеродом. Таким образом, в системе будет происходить следующее превращение:

ТЮ2 + 2М^ + С ^ ТЮ + 2М^О, Причем адиабатическая температура может достигать 2250К, что приведет к значительным местным разогревам и, соответственно, будет способствовать инициированию реакции основных компонентов шихты - титана и углерода. Во-вторых, это могут быть инициирующие смеси (работающие по принципу термитных смесей), которые быстро воспламеняются и сгорают с выделением большого количества тепла, следствием чего должен являться чрезвычайно быстрый прогрев всего объема шихты с протеканием целевой реакции образования карбида титана и недопущение образования карбидной «корки». Кроме инициирования реакции данные смеси, способны повышать температуру до значений 2300-2700°С, в результате чего температура системы становится близкой к температуре плавления титана (1700°С), что также может способствовать полноценному прохождению СВС. Таким образом, целью данной работы было поставлено изучение влияния магнийсодержащих инициирующих смесей различного состава на синтез композиционного сплава А1-10%Т1С.

Базовый состав для одной плавки 200 г композиционного сплава А1-10%ТЮ был таким: 20 г смеси порошков из 16 г титана (марки ТПП-7) и 4 г углерода (марки П-701), а также отдельно 180 г чушкового алюминия А7 для создания расплава в тигле. К смеси порошков добавляли инициирующую смесь в насыпном виде в количестве 1% от массы шихты. В данной работе исследовались следующие виды инициирующих смесей: 1)М^; 2)М£+СиО; 3)Mg+NiO; 4) Mg+Fe2Oз. Полученную шихту делили на четыре части и заворачивали в фольгу для удобства ввода в расплав. Далее последовательно погружали брикеты шихты под зеркало расплава алюминия, нагретого до температуры 900 С, размешивая их с помощью металлической ложки. После выдержки 30 секунд полученный расплав разливали в чугунную изложницу. Металлографический анализ осуществляли на растровом электронном микроскопе 1ео1 1БМ-6390А. Элементный химический состав определяли методом микрорентгеноспектрального анализа на этом же микроскопе с использованием приставки 1ео1 ШВ-2200.

Система (Л1-10%Т1С) + Реакция проходила неинтенсивно. В основном искровыделение проходило при перемешивании. После разливки в кокиль, образец заискрил. Шлак очень тёмный, что связано с присутствием в нем оксида магния, поскольку плотность оксида магния значительно выше плотности алюминия (3,6 и 2,7*103 кг/м3 соответственно). Излом вязкий. Фотографии излома и микроструктуры представлены на рисунке 1.

* Ш 'Д %  -.« "Чг

а)

Рисунок 1 Структура образца, полученного на основе системы

(А1-10%ТЮ) + Mg

Система (Л1-10%Т1С) + (Mg+CuO). Тепловой эффект реакции горения термитной смеси составляет 440 кДж/моль. СВС-реакция проходила неинтенсивно и с небольшим искровыделением. Излом вязкий. Фотографии излома и микроструктуры представлены на рисунке 2.

в) г)

Рисунок 2 Структура образца, полученного на основе системы

Система (А1-10%Т1С) + Мё+^Ю). Тепловой эффект реакции горения термитной смеси составляет 362 кДж/моль. Реакция проходила неинтенсивно. Излом вязкий. Фотографии излома и микроструктуры представлены на рисунке 3.

Система (А1-10%ТС) + (М^+¥в203). Тепловой эффект реакции составляет 337 кДж/моль. Реакция проходила с неинтенсивным искровыделени-ем. Излом хрупкий. Фотографии излома и микроструктуры представлены на рисунке 4.

По результатам проведённых исследований можно сформулировать вывод: применение магнийсодержащих смесей позволяет активизировать CВC-реакции за счет протекания восстановительных реакций, в которых в качестве как горючих, так и окислителей используются оксиды различных элементов вместе с магнием в качестве металла-восстановителя. Локальное повышение температуры в расплаве приводит к значительному тепловыделению и, как следствие, росту размеров частиц карбидной фазы.

Рисунок 3 Структура образца, полученного на основе системы

в) г)

Рисунок 4 Структура образца, полученного на основе системы

Наименьший размер частиц карбидной фазы наряду с ее равномерным распределением по объему сплава зафиксирован в системе с добавкой

инициирующей смеси, характеризующейся наименьшим тепловым эффектом, - (Mg + Fe203) - которая и рекомендуется для дальнейшего использования.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1748-630695/17.

Список литературы

1. Напалков В.И. Физико-химические процессы рафинирования алюминия и его сплавов [Текст] /В.И. Напалков, С.В. Махов, Б.Л. Бобрышев, В.С. Моисеев // М: Теплотехник.- 2011.- 496 с. ISBN: 978-5-98457-097-8

2. Луц, А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов [Текст]: дисс. ...канд. техн. наук.- Самара.- 2006.- 176 с.

3. Amosov, A.P. Nanostructured aluminum matrix composites of Al-10%TiC obtained in situ by the method of SHS in the melt / A.P. Amosov, A.R. Luts, A.A. Ermoshkin / Key Engineering Materials, 2016. Vol.684. Р. 281-286.

4. Zhou, D. The nano-sized TiC particle reinforced Al-Cu matrix composite with superior tensile ductility /D. Zhou, F. Qiu, Q. Jiang // Materials Science and Engineering, 2015. A622. P. 189-193.

Luts Afia Rasimovna, Associate Professor

Samara State Technical University, Samara, Russia

Ionov Maxim Konstantinovich, Master

Samara State Technical University, Samara, Russia

INFLUENCE OF INITIATING MAGNESIUM-CONTAINING MIXTURES ON THE COMPLETENESS OF SHS-REACTION FREQUENCY IN THE PRODUCTION OF Al-10% TiC COMPOSITE ALLOY

Abstract. The results of the investigation of the influence of magnesium-containing initiating mixtures 1) Mg; 2) Mg + CuO; 3) Mg + NiO; 4) Mg + Fe2O3 on the process of self-propagating high-temperature synthesis, as well as the structure of the composite Al-10% TiC alloy.

Key words: aluminum, self-propagating high-temperature synthesis, composite alloy, titanium carbide, initiating mixture, magnesium.