Самара, Самарская область, Россия
УДК 620.16 Испытания для определения способности материала выдерживать нагрузки при эксплуатации
УДК 620.18 Исследования структуры материалов. Металлография и соответствующие исследования неметаллических материалов
В работе приведены результаты исследования влияния вида углеродной формы (технического углерода и многослойных углеродных нанотрубок) на морфологию и характер распределения фазы карбида титана в составе полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиционного материала Al-5%Cu-10%TiC, подвергнутого далее термической обработке в виде закалки и искусственного старения. Показано, что обе модификации углерода позволяют изначально синтезировать карбидную фазу высокой дисперсности с размерами до 800 нм. Однако в ходе последующей термической обработки образцов, полученных на основе шихты с нанотрубками, наблюдается снижение дисперсности частиц карбида титана до 2 мкм и повышение степени их агломерированности, что влечет за собой уменьшение упрочняющего эффекта старения. На основе анализа механизма карбидообразования выдвинуто предположение, что в результате высокоскоростного капиллярного растекания титана по поверхности углеродных частиц в процессе синтеза образуемые частицы наследуют геометрию исходной углеродной формы. В связи с этим, при использовании технического углерода преимущественным является синтез округлых частиц карбида титана, а в случае нанотрубок – цилиндрических частиц. Различия в морфологии, в свою очередь, определяют различную степень самодиффузии при последующем нагреве, что и приводит к более существенным изменениям дисперсности и характера распределения карбидной фазы в образцах, синтезированных на основе нанотрубок. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что вид углеродной формы оказывает значительное влияние на структурные характеристики карбидной фазы и дают основание рекомендовать к использованию технический углерод, отличающийся и более низкой стоимостью.
карбид титана, композиционный материал, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, термическая обработка
Введение Композиционные алюмоматричные материалы, армированные высокодисперсной фазой карбида титана, представляют собой перспективный класс материалов конструкционного назначения с повышенными показателями твердости, прочности и износостойкости [1, 2]. С учетом простоты и доступности оборудования, а также экономической целесообразности, наиболее перспективным для их изготовления является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), предложенный на кафедре «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» Самарского государственного технического университета [3]. Технология включает проведение экзотермического взаимодействия компонентов исходной шихты – элементных порошков титана и углерода, протекающего в расплаве алюминия в режиме горения со значительной скоростью от 1x10-4 до 0,15 м/с и c достижением температуры в зоне реакции до 3000 К, что обеспечивает высокую смачиваемость образуемых частиц карбида титана и за счет этого существенное повышение механических и трибологических свойств получаемых композиционных материалов [4, 5]. Качественное повышение указанных характеристик было доказано на составах Al-10%TiC, Al-5%Cu-10%TiC, Al-5%Cu-2%Mn-10%TiC и др. путем синтеза в их структурах частиц карбида титана с дисперсностью 100 нм – 1 мкм. В процессе разработки технологии особое внимание уделялось порошковым составам шихты, а именно влиянию размерного фактора и способа получения исходных порошков титана и углерода на полноту протекания процесса СВС и дисперсность получаемой карбидной фазы. Было установлено, что все исследуемые марки порошка титана: ПТМ (с дисперсностью < 80 мкм), ПТХ6-1 (< 180 мкм) и ТПП-7 (< 280 мкм), отличаются хорошей реакционной способностью и могут использоваться для синтеза карбида титана, но его максимальную дисперсность обеспечивает использование порошка ТПП-7, обладающего пористой структурой и за счет этого легко распадающегося на отдельные элементы с последующим химическим взаимодействием с углеродом [6]. Другая часть исследований, посвященная изучению влияния модификации углеродной формы, позволила установить, что, хотя все рассмотренные формы: активированный уголь марок БАУ и АГ-2, коллоидный графит С-1, технический углерод марок Т-900 и П-701 и углеродные нанотрубки (УНТ) «Таунит»™, способны вступать во взаимодействие с титаном, но минимальную дисперсность карбидной фазы, порядка 200…300 нм, обеспечивает использование только технического углерода П-701 и УНТ «Таунит»™. Применение остальных углеродных форм не позволяет провести СВС в полной мере, о чем свидетельствует наличие свободного углерода в составе матрицы и образование нежелательных побочных фаз типа Al4C3 или Al3Ti. Также ранее было установлено, что дисперсность соединения карбида титана в результате СВС-процесса существенно зависит от химического состава матричной основы. И, например, присутствие 5 % меди, которую можно рассматривать как инертную добавку, ведет к снижению температуры СВС-реакции и ее замедлению, в результате чего образуемые частицы карбида титана успевают коагулировать и их дисперсность несколько снижается: при использовании технического углерода П-701 дисперсность составляет 200…500 нм, а с УНТ «Таунит»™ ‒ уже 250…800 нм [7]. Но даже такая незначительная разница в размерных параметрах синтезируемых частиц карбида титана оказывает влияние на их механические показатели (табл. 1), что свидетельствует о необходимости сохранения уровня дисперсности армирующей фазы в ходе дальнейших технологических операций.
Вместе с тем, для матричной основы алюминий-медь наибольшее упрочнение достигается в процессе термической обработки по режиму Т6, включающему закалку и старение. И в работе [8] приводится сравнительная оценка свойств композиционных материалов на основе Al-5%Cu, полученных путем ввода 0,1…1,0 % масс. наноразмерных частиц TiCp и 1,0…5,0 % масс. микроразмерных TiCp с последующей термической обработкой всех образцов по режиму: выдержка 12 ч при 538 ℃, закалка в воду и старение 10 ч при 165 ℃. Установлено, что износостойкость наноразмерных материалов с содержанием 0,5 % масс. TiC на 83,5 % выше, чем у матричного сплава Al-Cu при 180 °С при 20 Н и на 16,5 % выше, чем у композита с 5 % масс. микроразмерных частиц TiC. Полученные результаты еще раз доказывают преимущество использования именно высокодисперсной армирующей фазы. Однако, в приведенном примере использовались готовые частицы карбида титана, полученные одним способом и отличающиеся лишь дисперсностью, тогда как в СВС-процессах формирование карбидной фазы происходит непосредственно в расплаве и вопрос о влиянии вида углеродной формы в ходе нагрева на форму и дисперсность образующейся армирующей фазы в достаточной степени не изучен. В связи с этим, в рамках данной работы была поставлена цель провести оценку влияния формы углерода и термической обработки на дисперсность и равномерность распределения фазы карбида титана в составе композиционного материала Al-5%Cu-10%TiС, полученного методом СВС.
Исследования
Синтез композиционного материала
Al-5%Cu-10%TiC проводился путем ввода
взятых в стехиометрическом соотношении
порошков титана марки ТПП-7
(ТУ 1715-449-05785388-99) и поочередно двух углеродных форм – углерода марки П-701 и УНТ «Таунит»™ – в расплав Al-5%Cu, разогретый до температуры 900 ℃ в графитовом тигле плавильной печи ПП 20/12. Морфология и исходные характеристики углеродных форм представлены на рис. 1 и в табл. 2, 3.
Термическая обработка в виде выдержки при 535 °С в течение 1 ч, закалки в воду и искусственного старения при 170 ℃ в течение
1 ч проводилась в лабораторных камерных печах СНОЛ. Микроструктурный анализ осуществляли на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A. Оценка степени равномерности распределения армирующих частиц по объему производилась с применением программной разработки для анализа структур литых металломатричных композиционных материалов на основе платформы ImageJ [10], согласно которой степень равномерности распределения частиц автоматически определяется как отношение стандартного отклонения к среднему арифметическому их числа. Полученное числовое значение может варьироваться от 0 до 1, где нулевое значение означает совершенно однородное распределение, а единица соответствует крайне неравномерному (агломерированному) распределению.
Твердость образцов исследовалась на твердомере ЗИП ТК-2М по методу Бринелля по
ГОСТ 9012-59.
Результаты
Анализ микроструктур образцов композиционного материала Al-5%Cu-10%TiC
(рис. 2) позволил установить, что в случае применения технического углерода П-701 после термической обработки уровень дисперсности частиц карбида титана сохраняется на уровне 200…500 нм, а равномерность их распределения незначительно уменьшается –
с 0,16 до 0,28 (рис. 2, в, г).
Однако при использовании УНТ
«Таунит»™ дисперсность частиц снижается с 250…800 нм до 1…2 мкм, а равномерность распределения – с 0,18 до 0,59, что свидетельствует о более высоком уровне агломерированности (рис. 2, ж, з). При этом значения твердости после термической обработки для образцов с П-701 и УНТ повысились с 63 НВ до 106 и
91 НВ соответственно, из чего следует наличие эффекта старения в обоих случаях, но степень упрочнения, очевидно, определяется структурными показателями карбидной фазы.
С целью интерпретации результатов необходимо уточнить, что взаимодействие между компонентами исходной смеси в процессе СВС протекает в узкой волне горения и распространяется с высокой скоростью, т. е. размерная неравномерность компонентов шихты может привести к неоднородности получаемого продукта. Согласно модели, предлагаемой в работе [11], механизм образования карбида титана включает капиллярное растекание, т. е. плавление частиц титана во фронте горения с последующим растеканием по поверхности углеродных частиц, в связи с чем синтезируемый продукт должен наследовать геометрию частиц углеродной формы. Подтверждением этому могут служить результаты, приводимые в работе [12], где исследовалась возможность СВС карбида титана в среде аргона при давлении 1 МПа из аналогичных порошковых смесей после их предварительного прессования с давлением 15 кг/см2.
Приведенные на рис. 3 микроструктуры позволяют убедится в том, что в случае применения технического углерода, сажевые
частицы которого, как правило, шарообразной формы и представляют собой рыхлые
цепные образования-агломераты размером
0,2…0,8 мкм, частицы образуемого карбида титана также представляют собой преимущественно спекшиеся частицы глобулярной или овальной формы. Тогда как при использовании УНТ, представляющих собой графеновую плоскость, свернутую в рулон [13], отчетливо наблюдаются отдельные частицы цилиндрической формы, в некоторых случаях с острыми гранями.
Известно, что наиболее вероятной трехмерной формой частиц, образуемых по механизму «снизу-вверх», является шарообразная, поскольку она отвечает минимуму
энергии [14], поэтому для наносистем характерным является процесс объединения частиц в более крупные и округлые агломераты с целью уменьшения их общей площади поверхности. В связи с этим, очевидно, проведение в ходе термических операций дополнительного нагрева повышает энергию активации рассматриваемых систем и запускает процессы самодиффузии, которые приводят к повышению степени агломерированности в обоих случаях, но именно в случае вытянутых частиц карбида титана, образованных с применением УНТ, данный эффект более выражен.
Заключение
На основании полученных результатов можно заключить, что исходная форма углерода оказывает существенное влияние на размерные показатели и характер распределения фазы карбида титана, в особенности после проведения термической обработки, в связи с чем, для использования в процессах СВС следует рекомендовать менее склонный к агломерированию технический углерод марки П-701, который к тому же отличается и более низкой стоимостью.
1. Kar A., Sharma A., Kumar S. A Critical Review on Recent Advancements in Aluminium-Based Metal Matrix Composites // Crystals, 2024. 14. Р. 412. DOI:https://doi.org/10.3390/cryst14050412
2. Das B., Roy S., Rai R.N., Saha S.C. Studies on effect of cutting parameters on surface of Al-Cu-TiC MMCs: An Artificial Neural Network Approach // Procedia Computer Science, 2015. Vol. 45. P. 745–752. DOI:https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.03.145
3. Amosov A.P., Luts A.R., Latukhin E.I., Rybakov A.D., Novikov V.A., Shipilov S.I. Effect of alloying on the structure and properties of particle reinforced aluminum matrix composites Al/TiC produced by SHS in aluminum melt // Journal of Physics: Conference Series, 2018. 1115. 042002. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/4/042002
4. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: М.: Издательство «БИНОМ», 1999. 176 с.
5. Cochepin B., Gauthier V., Vrel D., Dubois S. Crystal growth of TiC grains during SHS reactions // Journal of Crystal Growth, 2007. 304 (2). P. 481–486. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2007.02.018
6. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Применение процессов СВС для получения in-situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами: обзор // Изв. Вузов. Цветная металлургия, 2016. №1. С. 39–49
7. Амосов А.П., Луц А.Р., Рыбаков А.Д., Латухин Е.И. Применение различных порошковых форм углерода для армирования алюмоматричных композиционных материалов углеродом и карбидом титана // Обзор. Известия вузов. Цветная металлургия, 2020. № 4. С. 44–64.
8. Tian W.S., Zhao Q.L., Zhao C.J., Qiu F., Jiang Q.C. The Dry Sliding Wear Properties of Nano-Sized TiCp /Al-Cu Composites at Elevated Temperatures // Materials, 2017. 10. Р. 939. DOI:https://doi.org/10.3390/ma10080939
9. ТУ 2166-001-02069289-2007. Материал углеродный наноструктурный «ТАУНИТ». Технические условия. Введ. с 01.04.2008. Тамбов: Тамбовский ИТЦ машиностроения, 01.04.2008. 21 с.
10. Prusov E.S., Shabaldin I.V., Deev V.B. Quantitative characterization of the microstructure of in situ aluminum matrix composites // Journal of Physics: Conference Series, 2021. 2131 (4). P. 042040. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/4/042040
11. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Дом МИСиС, 2011. 377 с.
12. Rybakov A.D., Luts A.R., Latukhin E.I., Amosov A.P. Carbon form influence on combustion synthesis of titanium carbide // AIP Conference Proceedings, 2020. 2304. 020030. DOIhttps://doi.org/10.1063/5.0034549.
13. Колокольцев С.Н. Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. 296 c.
14. Физические явления в ультрадисперсных средах / И.Д. Морохов, Л.И. Трусов, В.Н. Лаповник. М.: Энергоатомиздат, 1984. 224 с.
