danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2025-69-4-330-341dan-1267Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESМеханохимический синтез высокотемпературных металломатричных композитов, дисперсно-упрочненных карбидами титанаMechanochemical synthesis of high-temperature metal-matrix composites, dispersion-hardened by titanium carbideshttps://orcid.org/0000-0001-9950-2120ВитязьП. А.VityazP. А.

Витязь Петр Александрович – академик, д-р техн. наук, профессор

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Vityaz Pyotr A. – Academician, D. Sc. (Engineering), Professor

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

https://orcid.org/0000-0001-7526-5044КовалеваС. А.KovaliovaS. A.

Ковалева Светлана Анатольевна – канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Kovaliova Svetlana A. – Ph. D. (Engineering), Leading Researcher

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

https://orcid.org/0000-0002-5915-0105ЖорникВ. И.ZhornikV. I.

Жорник Виктор Иванович – д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Zhornik Viktor I. – D. Sc. (Engineering), Professor, Head of the Department

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

https://orcid.org/0000-0002-7264-0862ГригорьеваТ. Ф.GrigorevaT. F.

Григорьева Татьяна Федоровна – д-р хим. наук, вед. науч. сотрудник

ул. Кутателадзе, 18, 630090, Новосибирск

Grigoreva Tatyana F. – D. Sc. (Chemistry), Leading Researcher

18, Kutateladze Str., 630090, Novosibirsk

ЛяховН. З.LyakhovN. Z.

Ляхов Николай Захарович – академик РАН, д-р хим. наук, науч. руководитель

ул. Кутателадзе, 18, 630090, Новосибирск

Lyakhov Nikolay Z. – Academician of the RAS, D. Sc. (Chemistry), Scientific Head

18, Kutateladze Str., 630090, Novosibirsk

Объединенный институт машиностроения НАН БеларусиJoint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут химии твердого тела и механохимии СО РАНInstitute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry of the SB of the RAS202528082025694330341Copyright © Витязь П.А., Ковалева С.А., Жорник В.И., Григорьева Т.Ф., Ляхов Н.З., 20252025Витязь П.А., Ковалева С.А., Жорник В.И., Григорьева Т.Ф., Ляхов Н.З.Vityaz P.А., Kovaliova S.A., Zhornik V.I., Grigoreva T.F., Lyakhov N.Z.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1267

Представлены результаты рентгеноструктурных исследований эволюции фазового состава и структуры высокотемпературных металлокерамических композитов, получаемых in situ механохимическим синтезом в реакционных смесях (Ti–C)–хМе (Me = Ti, Ni, Mo; х = 50–70 мас. %). При обработке исходных порошков в планетарной шаровой мельнице с энергонапряженностью 7,0 Вт/г реализуются механостимулированные реакции с формированием металлокерамических композитов в течение 8–20 мин. Во всех рассмотренных составах, кроме Me = 70 мас. % Ti, реализуется жидкофазный механизм синтеза c формированием металломатричной аморфно-кристаллической структуры пересыщенных твердых растворов, дисперсно-упрочненных карбидами титана. В смеси (Ti–C)–70 мас. % Ti реализуется твердофазное взаимодействие с образованием пересыщенного твердого раствора αTi(C) с последующим его распадом с выделением карбида TiC0,47. Длительность стадии инициирования реакции tign находится для Me = Ti в интервале ~(2–4) мин. Формирование низкотемпературной эвтектики Ni–Ti в составе (Ti–C)–50Ni способствует сокращению tign до 1 мин и повышению скорости синтеза включений TiC0,78–0,83. Увеличение концентрации до 70 мас. % Ni приводит к увеличению tign до 4 мин. Уменьшение адиабатической температуры способствует формированию карбида, обедненного углеродом TiC0,64– 0,78. Использование тугоплавкого молибдена в качестве матричного металла увеличивает tign до ~(4–8) мин. В составах (Ti–C)–хМе (Me = Ti, Ni) механосинтезируемое количество TiC в композите достигает ~(40 ± 3) мас. % при x = 50 % и ~(27 ± 1) мас. % при х = 70 %. В составах (Ti–C)–хMo с х = 50 и 60 мас. % образуется карбид (Mo, Ti)C структурного типа NaCl в количестве ~69 мас. %. Полученные результаты показывают перспективы механохимического in situ синтеза дисперсно-упрочненных композитов на основе тугоплавких металлов для материалов с повышенной жаропрочностью и жаростойкостью.

The results of XRD structural studies of the evolution of the phase composition and structure of high-temperature metal-ceramic composites obtained in situ by mechanochemical synthesis in reaction mixtures (Ti–C)–хМe (Me = Ti, Ni, Mo; х = 50–70 wt. %) have been given. When processing the initial powders in a planetary ball mill with an energy intensity of 7.0 W/g, mechanically stimulated reactions are realized with the formation of metal-ceramic composites within 8–20 min. In all of the considered compositions, except for Me = 70 wt. % Ti, a liquid-phase combustion mechanism is realized with the formation of a metal-matrix amorphous-crystalline structure of supersaturated solid solutions, which are dispersion-hardened by titanium carbides. In the (Ti–C)–70 wt. % Ti mixture, solid-phase interaction is realized with the formation of a supersaturated solid solution αTi(C) with its subsequent decomposition with the precipitation of TiC0.47. The initiation stage duration tign for Me = Ti is approximately 2–4 min. The formation of a low-temperature Ni–Ti eutectic in the (Ti–C)–50Ni composition helps to reduce the duration of the reaction ignition tign to 1 minute and to increase the synthesis rate of TiC0.78–0.83 inclusions. Increasing the concentration to 70 wt. % Ni leads to an increase in tign to 4 min. A decrease in the adiabatic temperature promotes the formation of carbon-depleted carbide TiC0.64–0.78. The use of refractory molybdenum as a matrix metal increases tign and is in the range of approximately 4–8 minutes. In compositions (Ti–C)–xMe (Me = Ti, Ni), the mechanosynthesized TiC content reaches approximately 40 ± 3 wt. % at x = 50 % and approximately 27 ± 1 wt. % at x = 70 %. In compositions (Ti–C)–xMo with x = 50 and 60 wt. %, a NaCl-type (Mo, Ti)C carbide forms in quantity of 69 wt. %. The obtained results demonstrate the promising prospects for mechanochemical in situ synthesis of dispersion-strengthened composites based on refractory metals for materials with enhanced heat resistance and high-temperature stability.

механически стимулированные реакциимеханохимический синтезметалломатричные композитытитанникельмолибденкарбид титанаmechanically stimulated reactionsmechanochemical synthesismetal matrix compositestitaniumnickelmolybdenumtitanium carbideReferencesВысокотемпературные композиционные материалы с металлической матрицей (обзор) / Р. В. Батиенков, Н. П. Бурковская, А. Н. Большакова, А. А. Худнев // Труды ВИАМ. – 2020. – Т. 6–7 (89). – С. 45–61. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-67-45-61Batienkov R. V., Burkovskaya N. P., Bolshakova A. N., Khudnev A. A. High temperature metal matrix composite materials (review). Trudy VIAM = Proceedings of VIAM, 2020, no. 6–7 (89), pp. 45–61 (in Russian). https://doi.org/10.18577/23076046-2020-0-67-45-61Development of Ni-base metal matrix composites by powder metallurgy hot isostatic pressing for space applications / A. Sergi, R. H. U. Khan, S. Irukuvarghula [et al.] // Advanced Powder Technology. – 2022. – Vol. 33, N 2. – Art. 103411. https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.103411Sergi A., Khan R. H. U., Irukuvarghula S., Meisnar M., Makaya A., Attallah M. M. Development of Ni-base metal matrix composites by powder metallurgy hot isostatic pressing for space applications. Advanced Powder Technology, 2022, vol. 33, no. 2, art. 103411. https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.103411Additive manufacturing of pure Mo and Mo + TiC MMC alloy by electron beam powder bed fusion / C. Rock, E. Lara-Curzio, B. Ellis [et al.] // JOM. – 2020. – N 72. – P. 4202–4213. https://doi.org/10.1007/s11837-020-04442-8Rock C., Lara-Curzio E., Ellis B., Ledford C., Leonard D. N., Kannan R., Kirka M., Horn T. Additive manufacturing of pure Mo and Mo + TiC MMC alloy by electron beam powder bed fusion. JOM, 2020, no. 72, pp. 4202–4213. https://doi.org/10.1007/s11837-020-04442-8High-temperature synthesis of metal–matrix composites (Ni–Ti)–TiB2 / V. Promakhov, A. Matveev, N. Schulz [et al.] // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11, N 5. – Art. 2426. https://doi.org/10.3390/app11052426Promakhov V., Matveev A., Schulz N., Grigoriev M., Olisov A., Vorozhtsov A., Zhukov A., Klimenko V. High-temperature synthesis of metal–matrix composites (Ni–Ti)–TiB2. Applied Sciences, 2021, vol. 11, no. 5, art. 2426. https://doi.org/10.3390/app11052426Takacs, L. Self-sustaining reactions induced by ball milling / L. Takacs // Progress in Materials Science. – 2002. – N 47. – P. 355–414. https://doi.org/10.1016/s0079-6425(01)00002-0Takacs L. Self-sustaining reactions induced by ball milling. Progress in Materials Science, 2002, vol. 47, no. 4, pp. 355–414. https://doi.org/10.1016/s0079-6425(01)00002-0Механически стимулированные реакции в системах металл–оксид (карбид) / В. И. Жорник, Т. Ф. Григорьева, С. А. Ковалева [и др.] // Доклады Национальной академии наук Беларуси. – 2022. – Т. 66, № 3. – С. 365–376. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2022-66-3-365-376Zhornik V. I., Grigoreva T. F., Kovaliova S. A., Kiseleva T. Yu., Devyatkina E. T., Vosmerikov S. V., Veremey I. S., Lyakhov N. Z. Mechanically stimulated reactions in metal–oxide (carbide) systems. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2022, vol. 66, no. 3, pp. 365–376 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8323-2022-66-3-365-376In-situ formation of titanium carbide in copper-titanium-carbon system: A review / L. Guo, Ya. Yang, Yi. Du [et al.] // Powder Technology. – 2022. – Vol. 403. – Art. 117389. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117389Guo L., Yang Ya., Du Yi., Sun H., Guo Z. In-situ formation of titanium carbide in copper-titanium-carbon system: A review. Powder Technology, 2022, vol. 403, art. 117389. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117389Microstructure evolution of Cu–TiC composites with the change of Ti/C ratio / H. Ding, W. Chu, Q. Liu [et al.] // Results in Physics. – 2019. – Vol. 14. – Art. 102369. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102369Ding H., Chu W., Liu Q., Wang H., Hao C., Jia H., Wang J., Ci T. Microstructure evolution of Cu–TiC composites with the change of Ti/C ratio. Results in Physics, 2019, vol. 14, art. 102369. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102369Dudina, D. V. Synthesis of ceramic reinforcements in metallic matrices during spark plasma sintering: consideration of reactant/matrix mutual chemistry / D. V. Dudina, T. M. Vidyuk, M. A. Korchagin // Ceramics. – 2021. – N 4. – P. 592–599. https://doi.org/10.3390/ceramics4040042Dudina D. V., Vidyuk T. M., Korchagin M. A. Synthesis of ceramic reinforcements in metallic matrices during spark plasma sintering: consideration of reactant/matrix mutual chemistry. Ceramics, 2021, no. 4, pp. 592–599. https://doi.org/10.3390/ceramics4040042Rapid mechanochemical synthesis of titanium and hafnium carbides / N. Lyakhov, T. Grigoreva, V. Šepelák [et al.] // Journal of Materials Science. – 2018. – Vol. 53. – P. 13584–13591. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2450-xLyakhov N., Grigoreva T., Šepelák V., Tolochko B., Ancharov A., Vosmerikov S., Devyatkina E., Udalova T., Petrova S. Rapid mechanochemical synthesis of titanium and hafnium carbides. Journal of Materials Science, 2018, vol. 53, pp. 13584–13591. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2450-xOghenevweta, J. E. Study of reaction sequences during MSR synthesis of TiC by controlled ball milling of titanium and graphite / J. E. Oghenevweta, D. Wexler, A. Calka // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 140. – P. 299–311. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.04.005Oghenevweta J. E., Wexler D., Calka A. Study of reaction sequences during MSR synthesis of TiC by controlled ball milling of titanium and graphite. Materials Characterization, 2018, vol. 140, pp. 299–311. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.04.005Delogu, F. Activation of self-sustaining high-temperature reactions by mechanical processing of Ti–C powder mixtures / F. Delogu // Scripta Materialia. – 2013. – Vol. 69, N 3. – P. 223–226. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.03.033Delogu F. Activation of self-sustaining high-temperature reactions by mechanical processing of Ti–C powder mixtures. Scripta Materialia, 2013, vol. 69, no. 3, pp. 223–226. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.03.033Studying the possibility of obtaining high-temperature composites via mechanochemical and electron-beam treatment / A. I. Ancharov, S. V. Vosmerikov, T. F. Grigoreva [et al.] // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2018. – Vol. 82, N 7. – P. 877–879. https://doi.org/10.3103/s1062873818070055Ancharov A. I., Vosmerikov S. V., Grigoreva T. F., Kosachev M. Yu., Semenov Yu. I. Studying the possibility of obtaining high-temperature composites via mechanochemical and electron-beam treatment. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2018, vol. 82, no. 7, pp. 877–879. https://doi.org/10.3103/s1062873818070055Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. – М., 1996.Lyakishev N. P., ed. Phase diagrams of binary metallic systems: reference book: in 3 volumes. Moscow, 1996. (in Russian).Бурков, П. В. Влияние содержания молибдена на структурные характеристики двойного карбида (Ti, Mo)C / П. В. Бурков, С. Н. Кульков // Ползуновский вестник. – 2005. – № 2–2. – С. 55–61.Burkov P. V., Kulkov S. N. Effect of molybdenum content on the structural characteristics of double carbide (Ti, Mo)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.