Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

EFFECT OF MECHANICAL ACTIVATION AND CONSOLIDATION ON THE FORMING OF A COMPOSITE MATERIAL TI3SIC2/TIC

Kachenyuk M.N. 1 Smetkin A.A. 1 Andrakovskaya K.E. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
В работы представлены результаты изучения влияния условий механоактивации и горячего прессования на формирование структуры композиционного материала на основе карбосилицида титана. В качестве исходных материалов использованы пористые спеки чистого карбосилицида титана. Представлены результаты изучения влияния продолжительности измельчения спеков в планетарной мельнице на средний размер частиц. Определены кривые уплотнения материала при постоянной нагрузке 50 МПа и температурах до 1400 оС. Показано, что указанные параметры термомеханической обработки обеспечивают формирование композиционного материала Ti3SiC2/TiC с относительной плотностью 96–98 % и содержанием карбидов титана в диапазоне 35–46 %. С помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии дан анализ структуры консолидированного материала. Получены результаты дюрометрических исследований отдельных фаз композиционного материала и дана оценка его трещиностойкости. Композиционный материал Ti3SiC2/TiC может быть использован в перспективе в качестве основы для износостойких изделий.
The work presents the results of studying of influence of mechanical activation and hot pressing on the formation of the structure of composite material on the basis titanium silicon carbide. As the starting materials we used porous frits of pure titanium silicon carbide. The results of studying the influence of duration of grinding frits in the planetary mill on average particle size. Curves of consolidation of a material are determined at a continuous load 50 МPa and temperature up to 1400 degrees С. It is shown that these parameters thermomechanical treatment provide the forming of composite material Ti3SiC2/TiC with relative density 96-98 % and contents of titanium carbides in a range of 35-46 %. Using optical and scanning electron microscopy is given analysis of the structure of the consolidated material. Results of durometria research the individual phases of the composite material and evaluation of the crack resistance are received. Composite Ti3SiC2/TiC can be utilised in the long term as a basis for wear-resistant products.
crack resistance.
hardness
structure
composite material
hot pressing
mechanical activation
titanium silicon carbide

Введение

Разработка композиционных материалов с помощью технологий порошковой металлургии открывает широкие перспективы создания новых высокотемпературных материалов. Получение плотных, тугоплавких материалов с высокой прочностью, износостойкостью при повышенных температурах в настоящее время является важной и актуальной проблемой. Одним из таких материалов является карбосилицид титана Ti3SiC2. Послойное расположение структурных мотивов тугоплавких карбидов в Ti3SiC2 обеспечивает им уникальные механические характеристики, не характерные для керамических материалов [5, 6, 2]. Как правило, при твердофазном и самораспростроняющемся высокотемпературном синтезе получают пористые спеки карбосилицида титана [1, 9], которые необходимо в дальнейшем консолидировать до высокоплотного состояния. Для достижения высокоплотного состояния используются приемы горячего прессования, плазменно-искрового спекания под давлением, оптимизируя при этом фазовый состав исходных материалов [7, 4, 8].

Целью данной работы является изучение влияния условий механоактивации и горячего прессования на формирование структуры плотного композиционного материала на основе карбосилицида титана.

Материалы и методы исследования

В качестве исходных материалов использовали практически чистый карбосилицид титана, полученный сотрудниками Института химии Коми НЦ УрО РАН методом твердофазного синтеза из соединений системы 3Ti+1.4SiC+0.6C (моль.%) [1], в виде небольших высокопористых брикетов. Исходный спек обрабатывали в планетарной мельнице САНД при скорости вращения 360 об/мин, соотношении масс мелющих тел и обрабатываемого материала как 30:1. Размол проводили в течение 10, 20 и 30 минут.

Для получения плотных композитов при высоких температурах использовалась установка горячего прессования (ГП) с графитовой прессоснасткой диаметром 15 мм. Образец подвергали нагреву до 1400 оС с одновременно приложенной постоянной нагрузке 50 МПа. Во время нагрева производился контроль температуры и усадки образца. Процесс прессования проводили до момента прекращения усадки, после чего делали выдержку в течение 30 мин. Далее образец остывал вместе с печью.

Гранулометрический состав определяли оптическим методом на микроскопе Neophot-32 посредством программного комплекса “SIAMS” при увеличениях 267 и 1300 крат, а также методом седиментации на приборе СФ-2 с учетом особенностей указанных методик, описанных в [3]. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре ДРОН-4М в lСо-излучении. Для изучения структуры использовали оптическую и сканирующую электронную (Ultra 55 Carl Zeiss) микроскопию. Твердость по Виккерсу определяли с помощью прибора ТК-2 при нагрузках 49.3 73.7 и 98.1 Н.

Результаты исследования и их обсуждение

При изучении влияния продолжительности размола спеков карбосилицида титана на размер частиц установлено, что при 10 минутах размола формируется высокая доля частиц со средним размером менее 5 мкм (рис. 1). Увеличение продолжительности размола с 20 до 30 минут практически не влияет на гранулометрический состав.

Рис.1. Гранулометрический состав порошка Ti3SiC2 после 10 минут размола

Согласно данным рентгенофазового анализа после 10, 20 и 30 минутного размола порошок является чистым Ti3SiC2, без примесей других фаз.

Экспериментальные режимы уплотнения порошков карбосилицида титана позволили получить зависимости плотности, усадки образцов от температуры и продолжительности термомеханической обработки. Общим для всех полученных зависимостей является начало заметного уплотнения выше 1200 оС и его продолжение вплоть до 1400 оС. На рис. 2 показана зависимость уплотнения для порошка карбосилицида титана, измельченного в течение 20 мин. В результате горячего прессования были получены образцы, имеющие форму цилиндров диаметром 15 мм и высотой до 25 мм. Фазовый состав и расчет относительной плотности образцов Ti3SiC2, полученных горячим прессованием, представлены в таблице 1.

Из представленных в таблице 1 результатов следует, что время размола Ti3SiC2 незначительно влияет на плотность образцов после горячего прессования, а также неоднозначно влияет на фазовый состав.

Образцы Ti3SiC2, подвергнутые горячему прессованию, имеют в своем составе фазы карбида титана в количестве 35-46 %. Этот факт можно объяснить тем, что в результате ГП карбосилицид титана потерял некоторое количество кремния, ввиду его высокой «летучести». Таким образом, выбранные условия консолидации обеспечивают формирование композиционного материала Ti3SiC2/TiC.

Рис. 2. Кривая уплотнения образца при горячем прессовании порошка Ti3SiC2

Табл. 1. Фазовый состав и относительная плотность образцов на основе механоактивированного карбосилицида титана

Вид обработки Ti3SiC2

Фазовый состав, %

Относительная плотность, %

Ti3SiC2

TiC

10 мин размола и ГП

65

35

96,9

20 мин размола и ГП

65

35

96,7

30 мин размола и ГП

54

46

97,7

Металлографический анализ образцов показал, что структура материала является микрокристаллической, без ориентированной направленности (рис. 3). Средний размер зерна составляет: при 10 мин размола и ГП – 10 мкм; при 20 мин размола и ГП – 3 мкм; при 30 мин размола и ГП – 3 мкм. Если сопоставить эти данные с гранулометрическим составом порошков после размола, можно сделать вывод, что в результате горячего прессования рост зерна не наблюдается.

Данные металлографического анализа подтверждаются исследованием морфологии Ti3SiC2/TiC на электронном микроскопе Ultra 55 Carl Zeiss: частицы Ti3SiC2 имеют осколочную форму, которая сформировалась после размола, и это свидетельствует о том, что во время горячего прессования форма и размер частиц не изменилась. Формируемый при ГП карбид титана препятствует уплотнению материала, поэтому максимальная относительная плотность не превышает 98 %.

Измерение микротвердости по Виккерсу консолидированных образцов показало, что зерна, обладающие микротвердостью на уровне 5,0 ГПа, соответствуют чистому карбосилициду титана Ti3SiC2, а зерна с микротвердостью 11,5 ГПа – карбиду титана.

а)
б)

Рис. 3. Микроструктура композиционного образца Ti3SiC2/TiC (20 мин размола + ГП): оптическое (а) и электронно-микроскопическое (б) изображение

После индентации поверхности шлифа на отпечатке от алмазной пирамидки образуются диагональные микротрещины в виде разорванных линий. Наблюдаются множественные трещины вдоль сторон отпечатка. Полировка шлифа после индентации выявила зазор между углами отпечатка и началом роста диагональных трещин. Это означает, что трещины имеют геометрию трещин Палмквиста.

Анализ твердости по Виккерсу фазы тернарного соединения в композиционном материале Ti3SiC2/TiC при нагрузках 49.3 73.7 и 98.1 Н показал, что с увеличением нагрузки твердость образцов падает. Это обусловлено аномальной «мягкостью» Ti3SiC2 по сравнению с большинством карбидов. Исследование трещиностойкости карбосилицида титана показало, что значение KIC составляет не менее 10 МПа·м1/2. Высокая трещиностойкость обусловлена образованием множества мостиков связи на пути распространения трещины и спецификой разрушения зерен Ti3SiC2, сопровождающегося процессами расслаивания зерен вдоль базальной плоскости и микропластической деформации.

Выводы

Использование механоактивации спеков карбосилицида титана позволяет получать однофазные порошки с долей частиц размером менее 5 мкм порядка 80 %. Последующее горячее прессование при 1400 оС/50 МПа обеспечивает формирование композиционного материала Ti3SiC2/TiC с относительной плотностью 96 – 98 %. Заметное уплотнение образцов начинается при температуре выше 1200 оС и продолжается вплоть до 1400 оС. Структура полученного материала является микрокристаллической, без ориентированной направленности. Средний размер зерен составляет 3–10 мкм в зависимости от продолжительности предварительной механоактивации. Фазы в полученном композиционном материале обладают различной твердостью, характерной для карбидов и карбосилицидов титана – 11.5 и 5.0 ГПа соответственно.

Рецензенты:

Порозова С.Е., д.т.н., профессор кафедры «Материалы, технологии и конструирование машин» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Оглезнева С.А., д.т.н., профессор кафедры «Материалы, технологии и конструирование машин» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.