с 01.01.2020 по 01.01.2023
Самара, Россия
с 01.01.2018 по 01.01.2021
Чапаевск, Самарская область, Россия
Самара, Самарская область, Россия
УДК 669 Металлургия. Металлы и сплавы
Представлены результаты исследования возможности формирования МАХ-фазы состава Ti3SiC2 из элементных порошков с применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в расплаве алюминиевого промышленного сплава АК10М2Н. Проведенный комплекс структурно-фазовых исследований (микроструктурный, микрорентгеноспектральный и рентгенофазовый анализы) показал в структуре алюминиевого сплава АК10М2Н после синтеза наличие армирующих частиц различной морфологии (пластинчатой, игольчатой и глобулярной формы). Элементный состав, полученный в результате МРСА, позволяет предположить наличие фаз состава Ti3SiC2, Al2Si, TiC, SiC, Al3Ti, Al4C3. Проведенный рентгенофазовый анализ показывает возможность получения композиционного материала АК10М2Н-Ti3SiC2 с применением метода СВС, однако, следует отметить, что количество формируемой жидкофазным методом МАХ-фазы значительно меньше рассчитанной (1 % масс. вместо введенных 5 % масс.). Также значительное влияние на формирование МАХ-фазы оказывает время выдержки расплава под зеркалом алюминия, так при выдержке 5 мин фаза Ti3SiC2 присутствует в количестве 1 % масс., а также наблюдается присутствие фазы карбида титана в количестве 1 % масс. и чистого кремния. Увеличение времени выдержки под зеркалом алюминия до 30 мин приводит к деградации фазы Ti3SiC2 на карбид титана (2 % масс.) и карбид кремния (3 % масс.), также в составе наблюдается присутствие чистого кремния. Так, после выдержки 5 мин фактический состав композиционного материала представляет собой АК10М2Н – 1 % Ti3SiC2 – 1 % TiC, а после выдержки 30 мин – АК10М2Н – 2 % TiC – 3 % SiC. Исследование физических свойств показало возможность получения композиционных материалов с минимальной пористостью (0…1 %) и невысоким удельным весом, однако показатели твердости синтезированных АМКМ несколько ниже, чем у матричного сплава, что может оказать положительное влияние на пластичность материалов.
карбосилицид титана, алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез
Введение
Промышленные алюминиевые сплавы, включая АК10М2Н, широко используются в машиностроении, авиации и других отраслях за счет их легкости и коррозионной стойкости. Однако, для повышения их прочности и эксплуатационных характеристик требуется модифицирование структуры, например, за счет внедрения частиц МАХ-фаз. МАХ-фазы представляют собой керамические материала сложного состава, например, Ti3SiC2, Ti3AlC2 и т.д., обладающих уникальным сочетанием металлических и керамических свойств, таких как: высокая термостойкость, коррозионная стойкость, а также хорошая электро- и теплопроводность. Учеными Самарского государственного технического университета была показана возможность получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) МАХ-фаз состава Ti3SiC2 и Ti3AlC2 из элементных порошков на воздухе или в засыпке из песка [1]. Средняя пористость синтезированных каркасов составляла
50…60 %, что послужило началом последующих исследований для создания керметов путем самопроизвольной инфильтрации расплавами металлов в созданные ранее каркасы их
МАХ-фаз. В работах [2, 3] была показана возможность получения керметов систем
Al – Ti3SiC2, Sn – Ti3SiC2, Cu – Ti3SiC2,
Al – Ti3AlC2, Sn – Ti3AlC2 и Cu – Ti3AlC2 методом СВС с самопроизвольной инфильтрацией расплавов металлов, обладающих повышенными значениями предела прочности, однако сопровождающееся значительным падением пластичности.
Следовательно, актуальной задачей материаловедения становится получение композиционных материалов, армированных МАХ-фазой, но в значительно меньшем количестве, для сохранения уровня пластичности. Ключевой проблемой введения МАХ-фазы «ex-situ» может стать проблема смачиваемости МАХ-фазы расплавом алюминия, ввиду образования пассивных слоев на поверхности МАХ-фаз [4]. В тоже время отмечается, что композиты, полученные методами in-situ, характеризуются полным отсутствием загрязнения армирующих частиц и их отличной смачиваемостью расплавом матрицы [5 – 7]. В работах [8 – 11] показана возможность формирования МАХ-фазы состава Ti3SiC2 в расплаве алюминия при избытке кремния и формировании фазы карбида титана, за счет деградации фазы TiC с увеличением времени выдержки, однако, исследований по формированию МАХ-фазы в расплаве алюминиевых сплавов из элементных порошков проведено не было. Применение метода СВС для формирования фазы Ti3SiC2 непосредственно в расплаве [12], в свою очередь, перспективно своей энергоэффективностью, простотой технологического исполнения, а также чистотой готового продукта. На основании полученных данных целью данной работы было поставлено синтезировать МАХ-фазу состава Ti3SiC2 из элементных порошков титана, углерода и кремния, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в расплаве промышленного алюминиевого сплава АК10М2Н.
Материалы и методы
Для проведения исследований в качестве шихтовых материалов были выбраны порошок титана ТПП-7 (ТУ1715-449-05785388), порошок углерода П-701 (ГОСТ 7585-86), порошок кремния КР0 (ГОСТ 2169-69), Na2TiF6 (ТУ 6-09-01-425-77) и алюминиевый сплав АК10М2Н (ГОСТ 30620-98). Шихту смешивали в соотношении 7,35 г Ti + 1,43 г Si + 0,12г C + 0,5 г Na2TiF6 и вводили в расплав АК10М2Н массой 190 г, что соответствует соотношению композиционного материала АК10М2Н – 5 %Ti3SiC2. Методика получения дисперсно армированных композиционных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в расплаве приведена в работах [13, 14]. Изготовление металлографических шлифов проводили на шлифовально-полировальной машине ПОЛИЛАБ П12МА с приставкой для работы в автоматическом режиме. Для выявления микроструктуры проводили травление образцов раствором 50 % HF + 50 % HNO3 в течение
10…15 с. Металлографический анализ осуществляли на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A. Фазовый состав анализировался методом рентгенофазового анализа (РФА). Съемка рентгеновских спектров – на автоматизированном дифрактометре марки ARL X’trA (Thermo Scientific) с использованием Cu-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов от 20 до 80 º со скоростью 2 град/мин. Анализ дифрактограмм проводился с использованием программы «HighScore Plus». Определение плотности проводилось методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 20018-74.
Расчет действительной пористости производился по измеренной плотности по формуле П = 1 – (ρэ/ρт). Твердость полученных экспериментальных образцов определяли на твердомере ТШ-2М по ГОСТ 9012-59.
Результаты
На рис. 1 приведены микроструктуры полученного композиционного материала после выдержки 5 мин.
Результаты микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) композита АК10М2Н – 5 % Ti3SiC2 после выдержки 5 мин приведены на рис. 2 и в табл. 1.
Для определения точного фазового состава был проведен рентгенофазовый анализ (РФА), результаты которого приведены на
рис. 3.
Микроструктуры полученного композиционного материала после выдержки 30 мин приведены на рис. 4.
Результаты МРСА композита АК10М2Н – 5 % Ti3SiC2 после выдержки 30 мин приведены на рис. 5.
Для определения точного фазового состава был проведен РФА, результаты которого приведены на рис. 6.
Физические и механические характеристики синтезированных композиционных материалов приведены в табл. 3.
Обсуждение
В работе [8] было показано, при синтезе карбида титана в расплаве АК10М2Н методом СВС увеличение времени может привести к образованию МАХ-фазы, именно поэтому исследование возможности получения Ti3SiC2 из элементных порошков методом СВС в расплаве АК10М2Н проводилось с варьированием времени выдержки под зеркалом алюминия –
5 и 30 мин.
На рис. 1 видно, что в алюминиевой матрице присутствуют дисперсные частицы пластинчатой формы, напоминающие по своей морфологии карбосилицид титана, а также небольшое количество глобулярных частиц, которые могут являться карбидом титана. Размер частиц находится в диапазоне от 290 до 480 нм, что позволяет отнести их к высокодисперсным. Предположительно, по результатам МРСА на рис. 2, могут присутствовать фазы Ti3SiC2, Al2Si, TiC, SiC, Al3Ti, Al4C3. Согласно полученным данным на рис. 3, помимо МАХ-фазы Ti3SiC2 в количестве 1 % масс., присутствует еще чистый кремний – 5 % масс. и карбид титана – 1 % масс. Таким образом, выдержка в течение 5 мин обеспечивает формирование МАХ-фазы в расплаве, однако в значительно меньшем количестве, чем было введено (1 % вместо 5 %).
После увеличения времени выдержки до 30 мин наблюдалась иная морфология армирующих частиц, что отражено на рис. 4. Видно, что в алюминиевой матрице также, как и после выдержки в 5 мин, присутствуют дисперсные частицы, однако, их форма меняется с пластинчатой на игольчатую, а также наблюдаются глобулярные частицы, что может являться следствием деградации фазы Ti3SiC2 на составляющие TiC и SiC. Размер частиц находится в диапазоне от 290 до 570 нм, что позволяет отнести их к высокодисперсным. Предположительно, по результатам МРСА на рис. 5, могут присутствовать фазы Ti3SiC2, Al2Si, TiC, SiC, Al3Ti, Al4C3. Согласно полученным результатам РФА на рис. 6, целевой фазы карбосилицида титана в составе композита не наблюдается, что может говорить о том, что выдержка в течение 30 мин. обеспечивает распад МАХ-фазы на составляющие TiC и SiC.
Согласно результатам табл. 3 экспериментальная плотность близка к рассчитанной, а пористость обоих материалов не превышает 1 %, что также подтверждается снимками микроструктуры. Плотность композиционных материалов несколько выше плотности матричного сплава, что связано с наличием армирущих фаз, плотность которых составляет
3,21 г/см3 (SiC), 4,52 г/см3 (Ti3SiC2) и 4,92 г/см3 (TiC). Снижение твердости, по сравнению с матричным сплавом, объясняется аномальной «мягкостью» карбосилицида титана [15], а также наличием небольшой пористости в композиционном материале.
Выводы
Таким образом, проведенное исследование показывает возможность получения МАХ-фазы Ti3SiC2 методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из элементных порошков титана, кремния и углерода в расплаве промышленного алюминиевого сплава АК10М2Н. Однако, важно отметить, что получить заложенное при расчетах шихты содержание карбосилицида титана не удалось, вместо 5 % масс. в композиционном материале наблюдается всего 1 % масс. Следует также отметить, что большое влияние оказывает время выдержки расплава под зеркалом алюминия, так, при выдержке 5 мин удается синтезировать МАХ-фазу в расплаве в сочетании с фазой карбида титана в соотношении 1:1, а увеличение выдержки с 5 до 30 мин приводит к деградации МАХ-фазы на составляющие TiC и SiC.
1. Давыдов Д.М., Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р., Новиков В.А. Особенности состава и микроструктуры пористых каркасов МАХ-фаз Ti3AlC2 и Ti3SiC2, получаемых методом СВС на воздухе и в защитной оболочке из песка // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2023. № 4 (64). С. 88–97.
2. Умеров Э.Р., Латухин Е.И., Амосов А.П. Получение керметов с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза керамических каркасов TiC, Ti3SiC2, Ti3AlC2 и последующей самопроизвольной инфильтрации расплавами металлов Al, Sn, Cu // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции» «Перспективные материалы и технологии в авиадвигателестроении» г. Самара. 2023. Т. 1. С. 204–210.
3. Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р., Давыдов Д.М. Исследование возможности получения длинномерных образцов МАХ-кермета Ti3AlC2 − Al методом СВС с самопроизвольной инфильтрацией расплавом алюминия // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022. Т. 16. №3. С. 24–36.
4. Гутема Е.М. Разработка технологии получения алюминиевых сплавов, армированных карбидокремниевыми частицами. Санкт-Петербург. 2019. 103 с.
5. Wang F., Li J., Shi С., Zhao N., Liu E., He C., He F. Preparation and mechanical properties of in-situ synthesized nanoMgAl2O4 particles and MgxAl(1-x)B2 whiskers co-reinforced Al matrix composites // Materials Science Engeeniring A. 2018. № 735. Р. 236–242.
6. Duygulu O. High-resolution transmission electron microscopy investigation ofin situ TiC / Al composites // Metals and Materials International. 2018. № 56. Р. 265–275.
7. Qu X., Wang F., Shi C., Zhao N., Liu E., He C., He F. In situ synthesis of a gamma-Al2O3 whisker reinforced aluminium matrix composite by cold pressing and sintering // Materials Science Engeeniring. 2018. № 709. P. 223–231.
8. Шерина Ю.В., Луц А.Р., Закамов Д.В. Исследование влияния кремния на стабильность фазы TiC при получении композиционного материала АК10М2Н – 10TiC методом СВС // Вестник сибирского индустриального университета. 2025. № 1 (51). С. 25–34.
9. Lopez V.H., Scoles A., Kennedy A.R. The thermal stability of TiC particles in an Al // Materials Science and Engineering: A. 2002. № 356. Р. 316–325.
10. Xia F., Liang M.X., Gao X.S., Guo Y.C., Li J.P., Yang W., Zhang Z.K. Instability of in situ TiC particles in an Al // Journal of Materials Research and Technology. 2020. № 9 (5). Р. 11361–11369.
11. Ding H., Liu X. Influence of Si on stability of TiC in Al melts // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011. № 21 (7). Р. 1465–1472.
12. Луц А.Р., Шерина Ю.В., Амосов А.П., Качура А.Д. Жидкофазное получение методом СВС и термическая обработка композитов на основе алюминиево-магниевых сплавов, упрочненных высокодисперсной фазой карбида титана // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2023. Т. 29. № 4. С. 70–86.
13. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминиевых сплавов: монография. М.: Машиностроение, 2008. 175 с.
14. Шерина Ю.В., Луц А.Р. СВС-армирование промышленных алюминиевых сплавов высокодисперсной фазой карбида титана: монография. Самара: СГТУ. 2025. 151 с.
15. Каченюк М.Н., Сметкин А.А., Андраковская К.Э. Влияние условия механоактивации и консолидации на формирование композиционного материала Ti3SiC2 / TiC // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12618 (дата обращения: 08.09.2025).
