The powder specific surface influence on the reactivity and properties of titanium aluminide under thermal explosion mode

Abstract


Research of influence of dispersion effect, specific surface area and the mode of thermal explosion of the heat sink to changing condi-tions, the reactivity of a heterogeneous system and the properties of the products based on equiatomic titanium aluminide obtained by SHS method was perfomed.


Full Text

Введение

Технология получения керамических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) основана на прямом синтезе тугоплавких неорганических соединений и интерметаллидов, сопровождающегося волновым процессом горения в гетерогенной порошковой смеси [1–3]. Большой интерес вызывают СВС-соединения на основе алюминидов титана, обладающие малым удельным весом, высокой жаростойкостью и конкурирующие с соединениями на основе алюминидов никеля [1].

Цель работы заключалась в исследовании влияния дисперсности, удельной поверхности и режима теплового взрыва на изменение условий теплоотвода, на реакционную способность гетерогенной системы и свойства полученных продуктов СВС на основе эквиатомного алюминида титана.

Методика и результаты экспериментов

Смеси для спекания были приготовлены смешиванием в течение 4–5 часов порошков титана марок ПТК, ПТОМ, ПТС и алюминия марки АСД-4 (средние размеры Alи мелких частиц ПТОМ – порядка 30 мкм, средних частиц ПТС – порядка 50–60 мкм и крупных частиц ПТК – свыше 100 мкм). Заготовки были спрессованы в виде цилиндров 30х10 мм давлением ~ 24,5 МПа на гидравлическом прессе, затем выдерживались в вакууме 30 минут, и окончательно спекались при температуре 900–1000 0С в вакуумной шахтной электропечи. Металлографические шлифы готовились механической шлифовкой и последующей полировкой на бумаге с алмазными пастами.

При нагреве образцов смесей в режиме теплового взрыва во всех случаях после достижения температуры плавления алюминия 660 оС происходил резкий подъем температуры до температур образования фаз (рис. 1): 1250 оС (TiAl2) – с применением ПТОМ, 1375 оС (TiAl3) – с применением ПТС, 1475 оС (TiAl) – с применением ПТК. Связь температур с интерметаллическими фазами устанавливалась по диаграмме фазовых состояний системы Ti-Al [1].

Рисунок 1 – Температурные кривые синтеза сжиганием смеси Ti-Al

Вывод

Реакция начинается быстрее в мелкодисперсном порошке ПТОМ. У образца с крупными частицами титана ПТК начало роста температуры имеет некоторую задержку, что можно связать с меньшей удельной поверхностью контакта у более крупных частиц, вследствие чего, по-видимому, в общем энергетическом балансе начинает преобладать процесс поглощения теплоты при плавлении алюминия.

Рентгенофазовый анализ проводился на рентгеновском дифрактометре RigakuD/MAX – 2500V/PCс вращающимся анодом ultraX18. На рентгенограммах образцов после СВ-синтезачетко выражены пики TiAl, Ti3Al, TiAl2 (рис. 2),т. е. в режиме теплового взрыва фаза TiAlреализуема. Кроме того, очевидна связь фазового состава продуктов синтеза с марками порошка титана [4]: наибольший пик TiAl2 соответствует смеси с частицами титана марки ПТОМ, а наибольшие пики Ti3Al с частицами титана марок ПТС и ПТК.

 

Рисунок 2 – Рентгенограммы образцов СВС-спеков с Ti марки ПТК, марки ПТС, марки ПТОМ

 

Анализ микроструктуры и микрорентгеноспектральный анализ синтезированных образцов (на нетравленых шлифах) проводились на растровом электронном микроскопе ZeissUltraPlus (рис. 3 а, б), а соответствующие им структуры упаковки смеси частиц Ti и Al, полученные в результате 3D-моделирования [5], изображены на рис. 3 в, г. Светлые участки на фотографиях(рис. 3 а, б) указывают на доминирование Ti в содержании компонентов, менее светлые участки –на повышение доли частиц Al и понижение доли частиц Ti (вплоть до выравнивания их соотношения).В табл. 1 указано соотношение компонентов в окрестностях выделенных точек, отмеченных на фотографиях.

 

Рисунок 3 – Микроструктуры образцов: а – с титаном марки ПТОМ, б – с титаном марки ПТС, в – модельная 3D-структура упаковки смеси Al-Ti марки ПТОМ, г – модельная 3D-структура упаковки смеси Al-Ti марки ПТС

 

Оценка пористости экспериментальных синтезированных образцов оказалась порядка 55 %, расчеты пористости по результатам 3D-моделирования структур упаковок соответствующих исходных смесей определили значение порядка 60 %, что указывает на схожесть свойств по стехиометрическим составам исходных смесей и продуктов СВ-синтеза [6–9].

 

Таблица 1. Соотношение компонентов в окрестности выделенных точек микроструктуры

Образец с Ti марки ПТОМ

Образец с Ti марки ПТС

№ спектра

C

Al

Ti

№ спектра

C

Al

Ti

1

6.12

6.29

87.58

1

2.84

2.73

94.43

2

6.97

1.36

91.67

2

2.69

20.80

76.52

3

7.50

22.64

69.86

3

2.81

37.00

60.19

4

9.66

22.66

67.68

4

3.45

44.75

51.80

5

12.48

36.17

51.35

5

2.70

48.99

48.31

 

Механические испытания проводились на приборе INSTRON 1195. Результаты испытаний на изгиб и сжатие приведены в таблице 2.Кластерный и факторный анализ измельченных продуктов реакции проводился по методикам [10–12] по теплоывым и фототермическим параметрам СВ-синтеза.

 

Таблица 2. Предельная нагрузка перед разрушением образца

Тип порошка

П.п на изгиб, Мпа

П.п на сжатие, МПа

Погрешность

ПТОМ

38.00

38.50

6.35

ПТС

30.00

87.00

25.40

ПТК

33.00

44.50

7.65

Выводы

  1. Стехиометрический состав синтезируемых интерметаллидов отличается от стехиометрии исходной смеси, что обусловлено неполным участием в реакции ее компонентов: при плавлении обоих компонентов смеси конечный состав композиции зависит от их соотношения. При преобладании Ti образуется соединение Ti3Al; в области примерно равных концентраций образуется TiAl; при избытке Al образуется TiAl3; если температура спекания ниже температуры плавления Ti формируется система TiAl3-Al-Ti при любых соотношениях Ti/Al.
  2. Наибольшая прочность на сжатие и наименьшая на изгиб достигается при использовании порошка ПТС – анизотропия механических свойств образца в разных направлениях. Эффект анизотропии гораздо ниже с использованием порошка ПТК, и совсем исчезает использованием порошка ПТОМ.

About the authors

Irina V. Milyukova

Yugra State University

Author for correspondence.
Email: I_Milykova@ugrasu.ru

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant professor of the Academic Department of Physics and Chemistry of Processes and Materials, Yugra State University

Pavel Yu. Gulyaev

Yugra State University

Email: P_Gulyaev@ugrasu.ru

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Physics and chemistry of processes and materials, Yugra State university

Vladimir I. Jordan

Altai State University

Email: jordan@phys.asu.ru

Russian Federation, 61, Lenina avenue, Barnaul, 656049

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant professor of the Academic Department of Computer Facilities and Electronics, Altai State University

Tatyana S. Sych

Yugra State University

Email: dark_astra@bk.ru

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Student of the Academic Department of Physics and Chemistry of Processes and Materials, Institute of Polytechnical, Yugra State University

References

  1. Кузнецов, С. И. Влияние состава порошковой композиции Ti-Al на процессы лазерного спекания и синтеза интерметаллидов [Текст] / С. И. Кузнецов [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. – 2005. – Т. 7, № 1. – С. 35–42.
  2. Структурно-фазовые изменения в порошковых СВС-материалах при плазменном нанесении покрытий [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев, И. В. Милюкова [и др.] // Известия вузов. Физика. – 2007. – № 9. – Приложение. – С. 349–352.
  3. Экспериментальное исследование процесса формирования высокопористой металлокерамики с наноструктурированным наполнителем методом СВ-синтеза [Текст] / П. Ю. Гуляев, Ю. И. Реутов, В. И. Иордан // Перспективные материалы. – 2008. – Ч. 2, № 6. – С. 35–40.
  4. Моделирование фрактальных структур упаковок порошковых материалов [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, И. В. Милюкова [и др.] // Ползуновский альманах. – № 3. – 2007. – С. 39–41.
  5. Иордан, В. И. Использование метода динамики мезочастиц для 3D моделирования структур упаковок сфероидальных частиц в многокомпонентных смесях [Текст] / В. И. Иордан, Т. А. Белов // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ – 2012): Материалы XI Всероссийской науч.-практ. конф. с межд. участием. – Кемерово : Практика, 2012. – Ч. 1 . – С. 45–50.
  6. Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes / P. Gulyaev, H. Cui, I. Gulyaev, I. Milyukova // High Temperatures-High Pressures. – 2015. – V. 44. – № 2. – Р. 83–92.
  7. Эффективная теплопроводность неплотно упакованных порошков в волне СВ-синтеза[Текст] / М. П. Бороненко, И. В. Милюкова, А. Е. Серегин // Вестник Югорского государственного университета. – 2013. – № 2 (29). – С. 17–22.
  8. Development Prospects of SHS Technologies in Altai State Technical University / V. V. Evstigneev, P. J. Guljaev, I. V. Miljukova et al. // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2006. – Т. 15. – № 1. – С. 99–104.
  9. In-situ selfpropagating–hightemperature–synthesis controlled by plasma / P. Yu. Gulyaev, I. P. Gulyaev, Cui Hong-zhi, I. V. Milyukova // Вестник Югорского государственного университета. – 2012. – № 2 (25). – С. 28–33.
  10. Photothermal effects of laser heating iron oxide and oxide bronze nanoparticles in cartilaginous tissues / P. Y. Gulyaev, M. K. Kotvanova, S. S. Pavlova et al. // Nanotechnologies in Russia. – 2012. – V. 7. – № 3–4. – P. 127–131.
  11. Бересток, Г. М. Система оптического контроля тепловых параметров процесса СВ-синтеза [Текст] / Г. М. Бересток, П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, И. В. Милюкова // Современные научные исследования и инновации. – 2015. – № 2–2 (46). – С. 71–81.
  12. Гуляев, П. Ю. Кластерный анализ и оптимизация параметров механоактивации в процессах СВ-синтеза [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова // Информационные системы и технологии. – 2009. – № 3. – С. 93–99.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Figure 1 - Temperature curves of synthesis by burning a Ti-Al mixture

Download (160KB) Indexing metadata
2.
Figure 2 - X-ray patterns of samples of SHS-cakes with Ti of PTK brand, PTS brand, PTOM grade

Download (553KB) Indexing metadata
3.
Figure 3 - Microstructure of samples: a - with titanium of PTOM brand, b - with titanium of PTS grade, в - model 3D structure of packing of Al-Ti mixture of PTOM grade, d - model 3D structure of packing of Al-Ti mixture of PTS brand

Download (886KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 349

PDF (Russian) - 171

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2015 Milyukova I.V., Gulyaev P.Y., Jordan V.I., Sych T.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies