Механохимический синтез высокотемпературных металломатричных композитов, дисперсно-упрочненных карбидами титана

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 TiC_0,47. Длительность стадии инициирования реакции t_ign 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 TiC_0,78–0,83. Увеличение концентрации до 70 мас. % Ni приводит к увеличению tign до 4 мин. Уменьшение адиабатической температуры способствует формированию карбида, обедненного углеродом TiC_{0,64– 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.

1. Высокотемпературные 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/10.18577/2307-6046-2020-0-67-45-61

2. Development 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.2021.103411

3. Additive 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/s11837-020-04442-8

4. High-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/app11052426

5. Takacs, 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)00002-0

6. Механически 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/10.29235/1561-8323-2022-66-3-365-376

7. In-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.2022.117389

8. Microstructure 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.2019.102369

9. Dudina, 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/ceramics4040042

10. Rapid 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-x

11. Oghenevweta, 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.2018.04.005

12. Delogu, 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.2013.03.033

13. Studying 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/s1062873818070055

14. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. – М., 1996.

15. 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.