Криницын, М. Г.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

      Секция 2: Инновационные технологии получения и обработки материалов в машиностроении  232СТРУКТУРА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ «ТИТАН – КАРБИД ТИТАНА»,  ПРИМЕНИМЫХ В АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ М.Г. Криницын, аспирант Томский политехнический университет 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, тел. (3822)-12-34-56 E-mail: krinmax@gmail.com Композиционные материалы и покрытия со структурой из дисперсных твердых частиц, за-ключенных в металлическую матрицу (связку), обладают уникальным сочетанием твердости, проч-ности, пластичности и износостойкости при абразивном износе и в контактных парах. Характерным примером таких материалов являются инструментальные твердые сплавы, получаемые спеканием порошковых смесей из дисперсных карбидов и металлической связки. Хорошо известно, что физико-механические и триботехнические свойства композиционных материалов и покрытий помимо свойств дисперсных включений и металлической связки во многом определяются структурой (объ-емная доля, дисперсность и морфология упрочняющей фазы). Известно, что титан и его сплавы обладают низкой износостойкостью из-за склонности к схваты-ванию в контактных парах практически со всеми металлическими материалами [1]. Для повышения изно-состойкости деталей, подвергающихся интенсивному износу, широко применяются покрытия, наносимые на изнашиваемые поверхности наплавкой или напылением. Для получения «толстых» износостойких по-крытий на титан и его сплавы используется порошковая наплавка, причем состав порошковой присадки подбирают таким образом, чтобы получить композиционное покрытие, имеющее структуру матричного композита с дисперсными включениями частиц тугоплавких соединений (карбидов, боридов, силицидов) в титановой матрице. Наибольший интерес в качестве твердой и тугоплавкой упрочняющей фазы в метал-ломатричных композитах на основе титана представляет карбид титана. Для наплавки композиционных покрытий «TiC-Ti» обычно используются механические смеси порошков титана, карбида титана и графи-та в различных сочетаниях [2-5]. Однако, это не всегда позволяет достичь необходимой однородности смеси. Кроме того, в процессе наплавки образуется ванна расплава, что, в случае использования механи-ческой смеси порошков, приводит к образованию неоднородной структуры. В настоящей работе исследована структура и фазовый состав композиционных порошков, по-лученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) в порошковых смесях титан – углерод. Данные порошки также пригодны для применения в трехмерной печати изделий, но только после дополнительных обработок. На рис. 1 приведены рентгенограммы с порошков, синтезированных в аргоне и на воздухе, а в таблицах 1 и 2 – результаты расшифровки рентгенограмм. Рентгенофазовый анализ показал, что фак-тическое содержание титановой связки, рассчитанное по сумме интенсивностей рентгеновских ли-ний, во всех СВС продуктах значительно меньше значений, расcчитанных в предположении образо-вания карбида титана эквиатомного состава (табл.1,2). Кроме этого было установлено, что во всех случаях параметр решетки карбида титана значительно меньше, чем известное значение 0,4327 нм для карбида эквиатомного состава [6].  Для композитов, синтезированных в аргоне, наиболее вероятной причиной этого отличия па-раметра решетки является образование нестехиометрического карбида. Согласно равновесной диа-грамме двойной системы титан – углерод карбид титана TiCX имеет широкую область гомогенности. Содержание углерода в карбиде при температурах, близких температуре плавления титана на двой-ной равновесной диаграмме изменяется в интервале значений Х от 1 до 0,5.   а  б Рис. 1. Рентгенограммы СВС-порошков TiCХ+ Ti, синтезированных в аргоне (а) и на воздухе (б).  Расчетное (при Х=1) содержание титановой связки: 1 - 30об.%, 2 - 40об.% 3 - 50об.%, 4 - 60об.%.      VII Международная научно-практическая конференция  «Инновационные технологии в машиностроении»   233Таблица 1  Содержание фаз в СВС продуктах, синтезированных в аргоне, параметр решетки a карбида титана TiCX и значение стехиометрического коэффициента X, рассчитанное  по параметру решетки Расчетный фазовый состав СВС порошков Фактическое содержа-ние фаз, % а,  nm Х [6] TiCХ Ti TiC+30 об% Ti 100 - 0,4320 0.71 TiC+40 об% Ti 95,5 4,5 0,4310 0.58 TiC+50 об% Ti 93,5 6,5 0,4302 < 0.53 TiC+60 об% Ti 75,4 24,6 0,4299 < 0.53  На рис. 2 представлена морфология композиционных порошков, синтезированных в аргоне из реакционных смесей с различным содержанием титана. Порошковый продукт синтеза, не содержа-щий титановой связки (рис. 2а), представляет собой сростки карбидных зерен или отдельные круп-ные частицы. Структура СВС продуктов, содержащих титановую связку (рис. 2б, 2в, 2г), более дис-персная, причем дисперсность зависит от фактического содержания связки.    а  б  в  г Рис. 2. Морфология СВС продуктов, синтезированных в аргоне, с различным расчетным (фактическим) содержанием титановой связки (об%):  а) – 30 (0); б) – 40 (4,5); 50 (6,5); 60 (24,6).  Ранее, на спеченных порошковых материалах «титан – карбид титана», было показано [7], что при спекании в системе «титан-углерод» наблюдается усадка. В результате усадки снижается порис-тость материалов, причем, чем больше углерода, тем ниже пористость. В данном случае порошок получается дроблением СВС-спеков, при этом, чем больше углерода в составе смесей, тем крупнее получается СВС-порошок, что коррелирует с предыдущими результатами.  Морфология изменяется от угловатой к более округлой с увеличением содержания связки. Это обусловлено тем, что в образцах с малым расчетным содержанием связки, в результате СВС образуются порошки, совсем не имеющие связки и, соответственно, полностью состоящие из карбида титана. Это связанно с тем, что карбид титана имеет широкую область гомогенности и находится в стабильном со-стоянии при составах от эквиатомного TiC до TiC0,5. При избытке титана, термодинамически более вы-годным является состояние с меньшим объемом, что в данном случае соответствует образованию не-      Секция 2: Инновационные технологии получения и обработки материалов в машиностроении  234стехиометрического карбида титана.  Металлографические шлифы удовлетворительного качества уда-лось получить только на порошках, содержащих титановую связку (рис. 3). Из сравнения изображений на рис. 3 можно сделать вывод о том, что скорость охлаждения после завершения синтеза не влияет на структуру продуктов синтеза. По-видимому, формирование структуры (рост карбидных зародышей и срастание смежных частиц) происходит только в жидкой фазе во фронте реакции и в узкой зоне позади фронта и завершается в момент кристаллизации. Последующие диффузионные процессы в твердой фазе уже не влияют на структуру даже при относительно медленном охлаждении продуктов синтеза.    а  б  в  г Рис. 3. Структура СВС композиционных порошков TiC+Ti, синтезированных в аргоне (а,в)  и на воздухе с закалкой в воду (б,г). Расчетное (фактическое) содержание титановой связки (об. %): (а,б) – 50 (6,5); (в,г) – 60 (24,6).  Таким образом, можно сделать вывод о том, что при расчете состава смеси титана и углерода для проведения СВС, необходимо учитывать, что в условиях избыточного содержания титана будет образовываться карбид нестехиометрического состава, что, в свою очередь, приведет к уменьшению фактического содержания связки в образцах, по сравнению с расчетным. Структура продуктов синтеза не зависит от скорости их охлаждения после процесса синтеза. Это говорит о том, что структура порошков формируется в жидкой фазе во фронте горения и в узкой области за фронтом. Синтез при этом целесообразнее проводить в аргоне, с целью предотвращения образования оксидов в материале. Литература. 1. Zwikker Ulrich. Titan und Titanlegirungen. 1974. Springer-Verlag, 717 p. 2. Hamedy M.J., Torkamany M.J, Sabbaghzadeh J.. Effect of pulsed laser parameters on in-situ TiC syn-thesis in laser surface treatment. Optics and lasers in engeneering. 2011, vol. 49, pp 557-563.  3. ZHANG Ke-min, ZOU Jian-xin, LI Jun, YU Zhi-shui, WANG Hui-ping. Surface modification of TC4 alloy by laser cladding with TiC+Ti powders. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2010, vol. 20, pp 2192-2197.  4. Bataev I.A., Bataev A.A., Golkovski M.G., Krivizhenko D.S., Losinskaya A.A., Lenivtseva O.G. Struc-ture of surface layers obtained by atmospheric electron beam cladding of graphite-titanium powder mix-ture on to titanium surface. Applied Surface Sciense. 2013, vol. 284, pp 472-481.  5. Weiping Liu, J.N. DuPont. Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by Laser Engeneering Net Shaping. Scripta Materialia. 2003, vol. 48, iss. 9, pp 1337-1342. 6. Современные инструментальные материалы на основе тугоплавких соединений. Сб. трудов ВНИИТС. – М.:Мет-гия, 1985, 128с. 7. Коростелева Е. Н. , Прибытков Г. А. , Стрельницкий В. Е. , Криницын М. Г. , Лучанинов А. А. , Васильев В. В. Объемные изменения и эволюция структуры при нагреве порошковых прессовок «титан – карбид титана» // Известия вузов. Физика. - 2014 - Т. 57 - №. 9/3. - C. 102-107  

Структура композиционных порошков "титан - карбид титана", применимых в аддитивных технологиях

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University