SHS porous metal – ceramic systems Ti-B-C using chemical furnace

Full Text

Введение Развитие научно-технического прогресса требует создания и применения новых керамических и композиционных материалов, обладающих заданными физико-механическими свойствами и обеспечивающих стойкость различных конструкций, оборудования и узлов к постоянно возрастающим нагрузкам и агрессивным воздействиям рабочих и окружающих сред. Пористые материалы на основе титана благодаря своим высоким физико-механическим и биологическим свойствам имеют широкое применение в машиностроении, авиационной, химической, пищевой, нефтяной, металлургической отраслях (фильтры, носители катализаторов), а также в медицине, используемые как для замещения утраченной костной ткани (имплантат), так и в качестве носителей клеточного материала [1-5]. Поровое пространство имеет сложное строение, и его свойства определяются совокупностью таких характеристик, как пористость, форма и размер пор, также большое значение имеют прочностные, физические, химические и эксплуатационные характеристики пористых изделий. В работе авторов [6] исследовалось применение метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения пористой композиционной керамики из тройной Ti-B-C. В результате исследований была получена керамика с пористостью более 50 % и прочностью на сжатие σсж= 69 МПа. Настоящая работа является продолжением работы [6], в ней для расширения пределов горения исходной системы Ti-B-C и повышения характеристик синтезируемой керамики используется нагрев исходной смеси порошков химической печью [3]. Методика эксперимента При проведении эксперимента использовались порошки следующих марок: титан ПТМ-2; бор аморфный коричневый; углерод технический (сажа) П804Т. Исследованию подвергалась тройная система Ti-B-C. Рецептура шихты состояла из следующих частей. Часть № 1: стехиометрическая смесь порошка титана марки ПТМ-2 и коричневого бора состава (Ti + B) в расчете на образование моноборида титана: Ti + B → TiB. Часть № 2: нестехиометрическая смесь порошка титана марки ПТМ-2 и технического углерода П804Т в расчете на образование TiC0,5, представляющего собой нижнюю границу области гомогенности системы Ti-C [7]: Ti + 0,5C → TiC0,5. Часть № 3: избыток порошка титана марки ПТМ. Таким образом, рецептура шихты состояла из стехиометрической смеси состава (Ti + B) и нестехиометрической смеси состава ( Ti + 0,5C), взятых в соотношении 50 : 50, и добавки варьируемого избытка титана в количестве 30, 35, 40, 45, 50, 55 % от общей массы шихты. Экспериментальные составы шихт для сжигания имели следующий вид: (Ti+B) + (Ti+0,5C) + хTi, где х – избыток титана. Исходные компоненты подвергали предварительной сушке в вакуум-сушильных шкафах. Порошковые смеси шихт Ti + B и Ti + 0,5C готовилиcь отдельно в шаровых мельницах объемом 1 л при соотношении масс шаров и шихты 3 : 1. Время смешивания – 4 часа. Экспериментальные составы экзотермических шихт (Ti+B) + (Ti+0,5C) + xTi с заданным расчетным содержанием смесей № 1, № 2 и № 3 приготавливали вручную в фарфоровой ступке. Сжиганию подвергали отпрессованные заготовки. Формование заготовок осуществлялось односторонним прессованием в цилиндрической матрице при давлении прессования Р = 55, 110, 120, 130, 150, 215, 325 МПа. Заготовка представляла собой цилиндр диаметром 23 мм и высотой 10-15 мм. Синтез проводился в оболочке из песка на воздухе. Инициирование реакции горения осуществлялось электрической спиралью. Микроструктура синтезируемых пористых образцов изучалась на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A, а для проведения элементного анализа использовалась приставка энергодисперсионного анализа EDS. В качестве основного параметра, характеризующего прочность синтезируемого материала, был выбран предел прочности при сжатии σсж, исследования проводились на универсальной испытательной машине INSTRON 5988. Пористость синтезированного материала определялась методом гидростатического взвешивания. Рентгенофазовый анализ полученных образцов производился с помощью дифрактометра ARL X'trA-138 фирмы Termo Sсientisic. Результаты эксперимента и обсуждение Ранее в работе [6] авторами было исследовано влияние избытка титана в шихте (Ti+B)+(Ti+0,5C)+x%Ti (при х=0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35%) на предел прочности при сжатии. Было установлено, что с увеличением избытка титана в шихте предел прочности при сжатии синтезированных пористых материалов растет. Материал из экзотермической шихты (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 30%Ti обладает наибольшим пределом прочности при сжатии и составляет 43 и 69 МПа при давлении прессования исходных образцов 55 и 130 МПа соответственно. Экспериментальные составы с более высоким содержанием титана (при х > 30) в обычном режиме либо не инициировались, либо наблюдалось сильное недогорание полученных образцов. Для повышения реакционной способности шихты (Ti+B)+(Ti+0,5C)+x%Ti с более высоким содержанием титана (при х > 30) с целью повышения эксплуатационных характеристик получаемого при синтезе материала была использована химическая печь. В качестве химической печи использовалась шихта стехиометрического состава Ti+С. Соотношение шихта : химическая печь = 1 : 0,5. Результаты испытаний влияния количества титана в шихте на предел прочности при сжатии с использованием химической печи представлены в табл. 1 для образцов, отпрессованных при давлении Р = 55 МПа. Таблица 1 Предел прочности при сжатии образцов, синтезированных из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + xTi с использованием химической печи Состав шихты Предел прочности синтезированного материала σсж, МПа (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 35%Ti 50 (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 40%Ti 54 (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti 57 (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 50%Ti 61 (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 55%Ti Не инициируется Из табл. 1 видно, что использование химической печи позволило увеличить избыток титана в шихте на 20 % и предел прочности на сжатие на 42 %. Материал из шихты (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 50%Ti обладает наибольшим пределом прочности при сжатии и составляет σсж = 61 МПа. Экспериментальные составы с более высоким содержанием титана (при х > 50) не инициировались. Также было исследовано влияние давления прессования порошковых заготовок на предел прочности синтезированных образцов, полученных с использованием химической печи. Для испытаний был выбран состав шихты (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti, т. к. образцы из шихты с избытком титана 50 % при давлении свыше Р = 55 МПа не инициировались. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что с увеличением давления прессования исходных заготовок предел прочности синтезированных образцов повышается. Использование химической печи позволило проводить синтез образцов, отпрессованных при более высоких давлениях, что значительно увеличило прочностные характеристики получаемого материала. Предел прочности при сжатии образца, синтезированного с использованием химической печи, составил σсж= 121 МПа при давлении прессования Р = 325 МПа соответственно. Таблица 2 Влияние давления прессования заготовок на предел прочности при сжатии образцов, синтезированных из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti с использованием химической печи Ti+C Давление прессования Р, МПа Предел прочности σсж, МПа 55 57 110 75 120 78 130 82 150 87 215 105 325 121 На рис. 1 представлены фотографии образца, синтезированного с использованием химической печи. а б Р и с. 1. Фотографии образцов, синтезированных из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti с использованием химической печи На рис. 2 представлены фотографии микроструктуры скола (поверхностей разрушения) пористых образцов, полученных при давлении прессования Р =215 МПа при разном увеличении. На рис. 3 представлена фотография порового пространства. Как видно из рис. 1-3, образцы, синтезированные из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti с использованием химической печи, обладают анизотропией и имеют пористую слоистую структуру. Синтезированные образцы характеризуются периодической структурой в виде чередующихся слоев, имеющих различную пористость. Наблюдается изменение поровой структуры в направлении от периферии к центру. Размер пор составляет 100-300 мкм. Общая пористость синтезированного материала составляет 15-25 %. а б Р и с. 2. Фотографии скола образца, синтезированного из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti с использованием химической печи при увеличении: а – х8; б – х20 Р и с. 3. Фотография порового пространства образца, синтезированного из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti с использованием химической печи На рис. 4 представлена рентгенограмма фазового состава образца, синтезированного из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti. Результаты рентгенофазового анализа показали, что продукты синтеза в основном состоят из четырех фаз: нитрида титана TiN, борида титана TiВ, карбида титана TiС и титана Ti. Кроме этого, как показал элементный анализ, имеются примеси оксида титана, что объясняется условиями проведения синтеза. Пики оксидов титана на рентгенограмме не были выявлены из-за их малого содержания в продуктах реакции. Р и с. 4. Типичная рентгенограмма фазового состава продукта синтеза, полученного из шихты состава (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti Заключение В результате проведенных исследований методом СВС с использованием химической печи получена пористая металлокерамика системы Ti-B-C. Использование химической печи позволило увеличить избыток титана в шихте и предел прочности на сжатие, а также проводить синтез образцов, отпрессованных при более высоких давлениях, что значительно увеличило прочностные характеристики получаемого материала. Предел прочности при сжатии для образца, синтезированного из шихты (Ti+B) + (Ti+0,5C) + 45%Ti, составил σсж= 121 МПа при давлении прессования Р = 325 МПа соответственно. Синтезированные с использованием химической печи образцы обладают анизотропией и имеют пористую слоистую структуру. Образцы характеризуются периодической структурой в виде чередующихся слоев, имеющих различную пористость. Наблюдается изменение поровой структуры в направлении от периферии к центру. Размер пор составляет 100-300 мкм. Общая пористость синтезированного материала составляет 15-25 %.

About the authors

Dmitry I Andriyanov

Samara State Technical University

Email: andriyanov14dim@yandex.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Anatoly R Samboruk

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Vladimir S Ischenko

Samara State Technical University

Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Denis M Davidov

Samara State Technical University

Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files