Исследование возможности очистки от шлака композиционных сплавов системы Al-TiC методом переплава

УДК 536.74

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОЧИСТКИ ОТ ШЛАКА

КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ А1-Т1С МЕТОДОМ

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

В работе представлены результаты переплава композиционного сплава А1-4%Т1С, полученного методом СВС из смеси галоидной соли Иа2Т1Гб с техническим углеродом. Показано, что применение данного технологического приема позволяет повысить качество композита.

Ключевые слова: алюминий, композиционный сплав, карбид титана, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, галоидная соль, шлак, рафинирование.

Введение. Современная промышленность предъявляет жесткие требования к конструкционным материалам. Наибольший интерес со стороны науки уделяется алюмоматричным композиционным материалам, армированным частицами керамических фаз, в частности, карбидом титана. Такие композиционные материалы при небольшом содержании армирующей фазы могут применяться в качестве эффективных модифицирующих лигатур алюминиевых сплавов, а при повышенном ее количестве - в качестве дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов с высоким уровнем свойств [1,2].

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей, армированные дискретными частицами тугоплавкой фазы карбида титана А1-ТЮ могут изготавливаться разными способами, однако объективно лучшими технологиями их получения признаны жидкофазные способы [2]. Это обусловлено тем, что они, в первую очередь, приводят к образованию сильной межфазной связи, необходимой для высоких механических свойств композитов, а также позволяют использовать простое литейное оборудование, что является немаловажным с экономической точки зрения.

Среди реализуемых жидкофазных методов, наиболее эффективным признан процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) упрочняющих частиц из экзотермической смеси порошков, вводимой в расплав. Современные разработки в этой области позволили синтезировать сплав А1-ТЮ из порошков элементного титана и углерода с массовой долей 10-15 % армирующей фазы карбида титана и размером частиц 2-4 мкм [2].

Огромный интерес со стороны науки представляет разработка приёмов повышения дисперсности армирующей фазы сплава вплоть до нанораз-мерной (1-100 нм). Уменьшение размеров армирующих частиц приводит к уникальному повышению механических характеристик даже при малых

объемах вводимых наночастиц [3]. Одним из таких перспективных способов может быть синтез карбида титана в расплаве алюминия из галоидной титансодержащей соли Na2TiF6 и сажи технической. Перспективность этого способа обосновывается тем, что таким образом в волне горения удаётся получить атомарный титан, который при вступлении в контакт с углеродом образует наноразмерные частицы карбида титана. Кроме того, галоидные соли традиционно используются в качестве рафинирующих флюсов, что также может способствовать синтезу качественных композитов. Феноменологически взаимодействие галоидной соли Na2TiF6 с алюминием начинается при контакте с расплавом, при этом протекает обмен ионами титана на алюминий с образованием соединения хиолит (Na5Al3F14). Свободный фтор, выделившийся при реакции замещения, соединяется с алюминием, образуя фторид алюминия. Главным следствием образования атомарного титана является реакция синтеза целевой фазы карбида титана.

2 2

5 • Na2TiF6 + 63 • Al ^ - • AlF3 + 2 • Na5 Al3F14 + 5 • Ti

5 Ti + 5C ^5TiC

Особое внимание следует уделить дальнейшим реакциям, происходящим в системе. Взаимодействие хиолита с оксидами алюминия и титана начинается при одной и той же адиабатической температуре (1137 °С). Первоначально хиолит, взаимодействуя с расплавом алюминия, разлагается на два продукта:

Na5 Al3F14 + 8 • Al ^ 5 • NaAlF4 + 6 • AlF

Образовавшийся фторид NaAlF4 при высоких температурах продолжает разлагаться:

NaAlF4 ^ NaF + AlF3

В случае оксида алюминия, основным компонентом, оказывающим рафинирующее воздействие, является фторид натрия:

Al2O3 + 6 • NaF ^ 3 • Na2O + 2 • AlF3

Оксид титана также взаимодействует с фторидом натрия:

TiO2 + 4 • NaF ^ 2 • Na2O + TiF4

Но основным компонентом, оказывающим рафинирующее воздействие, является фторид алюминия:

4 • AlF3 + 3 • TiO2 ^ 2 • Al2O3 + 3 • TiF4

Одновременно с этим жидкий алюминий восстанавливает оксид титана: 4 • Al + 3 • TiO2 ^ 2 • Al2O3 + 3 • Ti

Образовавшийся в результате двух предыдущих реакций оксид алюминия вступает во взаимодействие с фторидом натрия:

Al2O3 + 6 • NaF ^ 3 • Na2O + 2 • AlF3

Газообразный фторид титана сразу поднимается на поверхность расплава, увлекая за собой мелкие примеси. Два других продукта (Na2O, AlF3) впоследствии поднимаются и удаляются в кристаллическом состоянии вместе со шлаком.

Таким образом, в процессе реализации СВС между солью и углеродом образуется значительное количество побочных легкоплавких соединений натрия и фтора, что приводит к образованию большого количества шлака, резко ухудшающего свойства композиционного сплава. По этой причине становится актуальным поиск способа очистки сплава от шлаковых включений. В данной работе изучается возможность очистки материала от шлаковых включений методом переплава.

Материалы и методы исследования. Для исследования влияния переплава использовались образцы системы А1-4%ТЮ массой 200 г., полученные по традиционной схеме методом СВС [2,3]. Образцы расплавляли в печи «Накал - 20 ПП» при температуре 900°С и выдерживали в течение 30 минут. Далее образец перемешивался с помощью металлической ложки и разливался в вафельную изложницу.

Результаты исследования. В ходе плавления образца в печи отмечались тёмные шлаковые включения в керамической форме. После разлива не вошедший в слиток шлак собирался, оценивался и взвешивался.

Изломы образцов, полученных до и после переплава, представлены на рисунке 1.

Т. :

а б

Рисунок 1 - Изломы образцов А1-4%ТЮ: а - до переплава; б - после переплава

Очевидно, что излом полученного после переплава образца практически свободен от включений и, следовательно, переплав способствует повышению качества образца. На рисунке 2 представлена фотография и микроструктура шлаковых включений (массой 11 г.), полученных в ходе переплава, на рисунке 3 - результаты локального рентгеноспектрального анализа (ЛРСА) шлака.

Рисунок 2 - Шлак, полученный при переплаве образца А1-4%ТЮ а - шлак в изложнице; б - микроструктура шлака

001

keV

Thin Film StandardlEaa StandaEdle3s Quantitative Analgia Fitting Coefficient : 0.3SBS

Elaonant (JcaVJ Maaat Counts KrEori Atoir.% Compound Masai Cation К

о p o.Bib 26.il ьооег.зэ 0.02 37.is 1.3221

Na (I- 1.041 1.15 2947.35 0.51 1.14 0.9524

Mg- K* 1.253 3.B4 10156.41 0.15 3.60 0.9506

JlL E* (Ref.l 1.4B6 ЁВ.В9 174627.Э0 0.01 58.11 1.0000 Total 1B0.B0 100.00

Рисунок 3 - ЛРСА шлака образца Al-4%TiC

Выводы. Данные ЛРСА подтверждают, что в составе шлака присутствуют включения, содержащие М^, О. Очевидно, что соединения фтора выделяются преимущественно в виде газообразных продуктов. Особо следует отметить, что в шлаке отсутствуют элементы армирующей фазы - ти-

тана и углерод. Также косвенным доказательством сохранения карбида титана в составе сплава после переплава является уровень значений твердости образцов: до переплава - 83 HRB, после - 85 HRB. Таким образом, можно сделать вывод о том, что переплав не уменьшает количество армирующей фазы, но при этом является эффективным методом повышения качества композиционных сплавов системы Al-4%TiC.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1748-63069.

Список литературы

1. 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.

2. 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.

3. Луц, А.Р. СВС композиционных сплавов, армированных нанодисперсными частицами карбида титана, на основе модельно сплава Al-5%Cu // В сб. «Высокие технологии в машиностроении»: материалы Всерос. науч.- техн. интернет-конф. / Отв. редактор В.Н. Трусов. - Самара: Самар.гос. техн. ун-т, 2015. - 255 с.: ил.

Luts Alfiya Rasimovna, Associate Professor

Samara State Technical University, Samara, Russia

Ionov Maxim Konstantinovich, Master

Samara State Technical University, Samara, Russia

INVESTIGATION OF THE OPPORTUNITY OF CLEANING OF SAMPLES OF AL-TiC COMPOSITE MATERIALS FROM SHLAK BY SHENDING METHOD

Abstract. The results of remelting of the composite Al-4% TiC alloy obtained by SHS from a mixture of the halide salt Na2TiF6 with technical carbon are presented in the paper. It is shown that the use of this technological method makes it possible to improve the quality of the composite.

Key words: aluminum, composite alloy, titanium carbide, self-propagating high-temperature synthesis, halide salt, slag, refining.