Self-propagating hihg-temperature synthesis of FeAl-Fe3Al-Al2O3-TiC composite granules

Full Text

Введение Материалы на основе TiC с металлической связкой, компенсирующей высокую хрупкость карбида, получили название керметов и имеют широкую область применения. Керметы используются как износостойкие, режущие и высокотемпературные материалы [1, 2]. Порошки керметов применяются в качестве материала для нанесения износостойких газотермических покрытий [3], являются наиболее производительным и перспективными материалом для магнитно-абразивной обработки [4], могут быть использованы для получения изделий методом спекания [3]. Однако способы промышленного производства керметов на основе TiC является сложными, энергозатратными и очень длительными [5, 6]: - прессование и спекание смеси порошков карбида и металла; - инфильтрация расплавами металлов карбидного каркаса. В настоящее время ведутся работы по получению подобных материалов перспективным методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который является более энергоэффективным, быстрым и не требующим сложного оборудования для проведения процесса [7]. Работа [8] посвящена получению порошков состава Fe-TiC методом СВС для дальнейшего нанесения в качестве износостойкого покрытия. В исследовании [9] описывается аналогичный способ получения композита с тем отличием, что реакцию проводят в вакууме. Синтез гранул состава Ni-TiC методом СВС в проточном реакторе при вынужденной фильтрации активного или инертного газа через засыпку шихты описан в работе [10]. Возможность синтеза гранул композита, описанного в настоящей работе, показана в [11]. Также в работе [11] представлен способ получения порошка композита Fe-TiC методом СВС с восстановительной стадией при использовании в качестве восстановителя углерода. Более подробно данный способ описан в [12]. В работах [13, 14] описано получение композитов на основе железа и карбида титана способом СВС с восстановительной стадией, что позволяет использовать в качестве исходных материалов более дешевые порошки оксидов металлов. В исследовании [14] для повышения качества получаемого продукта реакции исходные вещества приготавливаются в виде гранул. Данные способы направлены прежде всего на получение литых изделий, т. к. продуктом реакции является слиток композита, размол которого затруднителен. В настоящей статье авторами предложен способ получения композита состава FeAl-Fe3Al-Al2O3-TiC методом СВС сразу в виде отдельных гранул, что облегчает последующий размол и получение порошка кермета для дальнейшего применения. Материалы и методика экспериментов Для проведения синтеза использовались порошки титана, углерода, оксида железа (III) и алюминия, характеристики которых приведены в табл. 1. Таблица 1 Характеристики исходных материалов Материал Размер зерна, мкм Чистота, % Титан (ТПП-7) 160-360 97,95 Углерод (П-701) 0,3-5 89-99 Оксид железа (III) 0,3-40 98 Алюминий (АКП) 10-250 98 Порошки исходных компонентов смешивались в керамической ступке в стехиометрическом соотношении в соответствии с уравнениями реакций: - СВС-реакция: Ti + C → TiC+ 209 кДж/моль; (1) - термитная реакция: Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe + 752,4 кДж/моль. (2) Из исходных порошков отдельно изготавливались гранулы СВС-шихты (Ti+C) и гранулы термитной шихты (Fe2O3+Al). Грануляция исходных компонентов применена в целях получения продукта в виде легкоразрушаемой пористой массы, чтобы уменьшить трудозатраты при производстве порошков [15]. Для приготовления гранул использовалось связующее на основе нитроцеллюлозы в количестве 6-12 % от общей массы смеси. Далее полученную смесь загружали в матрицу для прессования, установленную на гидравлическом прессе, и методом экструзии получали «шнуры» диаметром 5 мм. После этого отвердевшие шнуры нарезали на гранулы размером 5-7 мм (рис. 1). Полученные гранулы высушивали в сушильной печи при температуре 100 °С в течение двух часов. а б Рис. 1. Гранулированные шихты: а - Ti+C; б - Fe2O3+Al Полученные гранулы засыпались в реактор открытого типа (рис. 2), реакция инициировалась при помощи вольфрамовой спирали. В качестве инициирующего вещества использовалась смесь (Ti+C). Сжигания проводились при содержании термитных гранул в общей смеси от 0 до 100 %. Рис. 2. Схема реактора открытого типа: 1 - форма из огнеупорного кирпича; 2 - кварцевая трубка; 3 - реакционная смесь гранул; 4 - кварцевый песок; 5 - инициирующая смесь для поджигания шихты; 6 - спираль для запала; 7 - графитовая прокладка; 8 - листок алюминия Фазовый состав синтезированного продукта определялся при помощи дифрактометра ARL X’trA (Thermo Scientific). Микроструктура и элементный состав продуктов реакции исследовались при помощи растрового электронного микроскопа Jeol JSM-6390A с приставкой Jeol JED-2200. Полученный композит измельчался в конусно-инерционной дробилке (КИД) до состояния порошка. После этого порошок перемалывался в шаровой мельнице и рассеивался при помощи набора лабораторных сит с размерами ячеек 40, 100, 315 мкм. Результаты эксперимента и их обсуждение а) Исследование параметров синтеза композита Вследствие того, что оба процесса (1) и (2) являются экзотермическими, реакция протекает при любом соотношении исходных гранул. Отмечен спокойный характер горения, выбросы не наблюдались. С увеличением содержания гранул термита Fe2O3 + 2Al в исходной смеси скорость горения возрастает от 1,4 до 2,6 г/с (рис. 3) при сжигании в кварцевой трубке диаметром 20 мм. Рис. 3. Зависимость скорости горения от состава исходной шихты При содержании термитных гранул от 10 до 50 % продукт получается в виде спека отдельных гранул, схожих по размеру с исходными гранулами шихты карбида титана. Гранулы сравнительно легко отделяются друг от друга. Чем больше термитных гранул в исходной смеси, тем сложнее разделяются продукты реакции на отдельные гранулы, и при содержании термитных гранул 60 % и более продукт разделить невозможно (рис. 4). а б в г д е Рис. 4. Продукты реакции при содержании в исходной смеси термитных гранул: а - 40 %; б - 50 %; в - 60 %; г - 70 %; д - 80 %; е - 90 % У полученных гранул обнаружены магнитные свойства при взаимодействии с лабораторным магнитом. При этом выявлено, что с увеличением содержания термитных гранул в исходной смеси большее число гранул продукта обнаруживает магнитные свойства и при содержании термитных гранул 50 % все полученные гранулы магнитны (рис. 5). Рис. 5. Зависимость количества магнитных гранул продукта от состава исходной шихты Наибольший интерес из полученных продуктов реакции вызывают гранулы, образованные при содержании в исходной смеси термитных гранул в количестве 50 %. Такое содержание термитных гранул является максимальным, при котором гранулы продукта возможно легко отделить друг от друга. Именно при таком соотношении исходных гранул все гранулы продукта проявляют магнитные свойства, что указывает на равномерное распределение продуктов термитной реакции. Дифрактограмма гранул продукта реакции при содержании в исходной смеси термитных гранул 50 % представлена на рис. 6. Рис. 6. Результаты рентгенофазового анализа: - фаза TiC; - фаза Al2O3; - фаза FeAl; - фаза Fe3Al Таким образом, в результате проведенного эксперимента был получен композит FeAl-Fe3Al-Al2O3-TiC. Микроструктурный анализ (рис. 7) показывает, что гранулы продукта реакции представляют собой композиционный материал с матрицей состава FeAl-Fe3Al-Al2O3, в которой распределены зерна TiC. Средний элементный состав фаз представлен в табл. 2. Рис. 7. Микроструктура гранул продукта реакции Таблица 2 Средний элементный состав фаз композита Элемент Содержание в матрице Содержание в зернах мас. % ат. % мас. % ат. % Fe 69,07 50,33 3,14 1,54 Al 8,02 12,11 1,53 1,53 Ti 14,80 12,49 64,01 36,18 C 5,47 18,33 14,13 31,89 O 2,66 6,75 17,19 28,87 Вид продукта реакции, рентгенофазовый и микроструктурный анализы позволяют сделать вывод о механизме образования гранул композита. При протекании процесса горения в гранулах термита происходит реакция восстановления железа с образованием жидких продуктов (2). В гранулах состава Ti+C протекает реакция синтеза карбида титана (1) с образованием твердых гранул TiC. Под действием капиллярных и гравитационной сил жидкие продукты термитной реакции проникают в гранулы карбида титана с образованием композита. Наличие в продукте реакции фаз FeAl и Fe3Al вместо чистого железа указывает на то, что восстановление железа происходило не только алюминием, но также, вероятно, титаном и углеродом, а оставшийся в избытке алюминий образовал интерметаллид с образовавшимся железом. Подтверждает данное предположение и наличие кислорода в зернах карбида титана в соответствии с проведенным элементным анализом (см. табл. 2). Таким образом, полное уравнение реакции имеет вид: Fe2O3 + 2Al + Ti + C → х1FeAl + х2Fe3Al + х3Al2O3 + х4TiC + х5TiO2 + х6CO↑ (3) Уравнение реакции (3) не уравнено, т. к. неизвестно точное соотношение фаз в продуктах реакции. Предположение об образовании TiO2 сделано на основании того, что в данном оксиде титана количество кислорода максимально. Однако фактически возможно образование другого оксида, смеси оксидов титана или оксикарбида титана TiCxOy. Отсутствие фазы TiO2 (или других оксидов титана) в результатах рентгенофазового анализа указывает на то, что его содержание в продуктах реакции менее 5 %. б) Измельчение полученных гранул композита После измельчения в КИДе большая доля частиц порошка (83 %) была размером более 315 мкм (315-1000 мкм). Динамика дальнейшего измельчения порошка в шаровой мельнице представлена на рис. 8. На графике показано содержание фракций порошка в зависимости от времени размола. Рис. 8. Динамика измельчения порошка композита На основании приведенных данных можно сделать вывод о том, что в течение 8 часов порошок композита был практически полностью перемолот (92 %) во фракцию менее 40 мкм. Диаграмма позволяет определить оптимальное время размола для получения определенной фракции порошка. Так, для получения фракции 40-100 мкм оптимальным является время размола 2 ч, а для фракции 0-40 мкм - 4 ч. Заключение В результате работы получен композит состава FeAl-Fe3Al-Al2O3-TiC энергоэффективным методом СВС. Продукт синтеза образуется сразу в виде гранул заданного размера, что облегчает дальнейший размол для получения порошка. Оптимальное содержание термитных гранул в исходной шихте составляет 50 %. Полученный после измельчения гранул порошок композита в дальнейшем может применяться для газотермического напыления покрытий, получения изделий методом спекания, магнитно-абразивной обработки.

About the authors

Igor V Yatsenko

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100, Russia

Alehamder R Samboruk

Samara State Technical University

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

Elena A Kuznets

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files