RU2410197C1 - Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана - Google Patents
Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2410197C1 RU2410197C1 RU2009139530/02A RU2009139530A RU2410197C1 RU 2410197 C1 RU2410197 C1 RU 2410197C1 RU 2009139530/02 A RU2009139530/02 A RU 2009139530/02A RU 2009139530 A RU2009139530 A RU 2009139530A RU 2410197 C1 RU2410197 C1 RU 2410197C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- powder
- composite material
- mechanosynthesis
- hot pressing
- Prior art date
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения композиционных материалов на основе карбосилицида титана. Может применяться для деталей, работающих в условиях экстремальных температур, повышенных нагрузок и агрессивных, ядовитых и радиоактивных сред, в химической, энергетической, нефтедобывающей и газодобывающей промышленности, в машиностроении. Порошковую смесь, состоящую из титана, карбида кремния, углерода и 3-7 мас.% наноразмерного оксида алюминия, подвергают механосинтезу в вакуумированной мельнице, после чего проводят холодное прессование и горячее прессование при 5-15 МПа.
Description
Изобретение относится к производству композиционных материалов на основе карбосилицида титана с высокой износостойкостью, работающих в условиях экстремальных температур, повышенных нагрузок и агрессивных, ядовитых и радиоактивных сред, может найти применение в порошковой металлургии, в химической, энергетической, нефтедобывающей и газодобывающей промышленности, в машиностроении.
Известно получение карбосилицида титана (Ti3SiC2) твердофазным синтезом в условиях вакуума и при избытке кремниевой составляющей. На промежуточных стадиях синтеза из материала испарением удаляют избыток элементарного кремния (Получение Ti3SiC2 / П.В.Истомин, А.В.Надуткин, Ю.И.Рябков, Б.А.Голдин // Неорганические материалы. Изд. «Наука», 2006, том 42, №3, с.292-297). Материал характеризуется размером зерна 50-200 мкм, равновесной структурой, содержанием небольшого количества примесей карбида и силицидов титана. Недостатками являются сложность получения материала с заданным содержанием примесных фаз путем испарения избытка кремниевой составляющей при вакуумно-термической обработке, необходимость применения высоких температур и давлений при компактировании порошков с равновесной структурой, а также высокочистого и, соответственно, более дорогостоящего исходного сырья для получения минимального количества примесей карбида и силицидов титана.
Известно получение материалов на основе карбосилицида титана с применением метода реакционного горячего прессования (Synthesis and Characterization of a Remarkable Ceramic: Ti3SiC2 / Barsoum M.W., El-Raghy T. // J. Am. Ceram. Soc. 1996. V.79. P.1953-1956). Недостатком являются высокие температура и давление, приводящие к использованию сложного технологического оборудования, высоким энергозатратам.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран синтез 312-фаз и композитов на их основе по патенту США на изобретение №5942455, С01В 33/00, опубл. 24.08.1999 г. Процесс получения продукта включает создание смеси порошков переходного металла или его соединения, в качестве которых используют титан или гидрид титана, соединения кремния и углерода. Вторым этапом процесса получения продукта на основе карбосилицида титана является реакционное горячее прессование указанной смеси порошков, максимальная температура которого 1800°С, максимальное давление - 200 МПа. Конечный продукт содержит примесей около 5 масс.%, имеет плотность, близкую к теоретической плотности. Недостатком являются высокие температуры и давления и, следовательно, высокие энергозатраты при получении материала и сложность технологического оборудования, обеспечивающего данные режимы.
Техническим результатом заявляемого технического решения является получение композиционного материала на основе карбосилицида титана с заданным содержанием примесных фаз, низкой пористостью, повышенной твердостью и износостойкостью, с использованием недорогого легкодоступного сырья, при снижении энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающем создание порошковой смеси, состоящей из титана, кремния, графита или соединений, их содержащих, механосинтез порошковой смеси, горячее прессование смеси, согласно изобретению в порошковую смесь вводят наноразмерный порошок оксида алюминия 3-7 масс.%, горячее прессование проводят при давлении 5-15 МПа.
Технический результат обеспечивается за счет введения в исходную порошковую смесь порошка оксида алюминия (Al2O3) с размером частиц 20-100 нм. Введение наноразмерного порошка оксида алюминия обусловлено его высокой активностью и равномерностью распределения по границам зерен исходных порошков в процессе механосинтеза. Добавление 3÷7 масс.% наноразмерного порошка Al2O3 снижает рост зерна при горячем прессовании, а также снижает содержание примесей, уменьшающих вязкость композиционного материала, повышает твердость и износостойкость композиционного материала на основе карбосилицида титана.
Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана заключается в следующем.
Исходную порошковую смесь титана (средний размер частиц 100-250 мкм), карбида кремния (средний размер частиц 2-10 мкм), графита (средний размер частиц 2-10 мкм) в мольном соотношении 3:1,25:0,75 и 3-7 масс.% порошка Al2O3 (средний размер частиц 20-100 нм) помещают в кювету планетарной мельницы совместно с мелющими шарами в соотношении 1:15 или 1:30, вакуумируют до остаточного давления менее 2 Па и подвергают механосинтезу.
Механосинтез, обеспечивающий гомогенизацию, сухое измельчение, повышение химической активности компонентов, протекание твердофазных реакций и снижение энергозатрат за счет перевода частиц порошков в высоконеравновесное состояние, проводят при частоте вращения барабана мельницы 320 об/мин в циклическом режиме с промежуточным охлаждением. Указанные параметры обеспечивают подвод к частицам энергии, необходимой для активации процессов образования новых фаз. При частоте вращения барабана мельницы менее 260 об/мин образования карбосилицида не происходит, т.к. энергии мелющих тел недостаточно для активации энергии синтеза. При частоте вращения барабана более 330 об/мин происходит интенсивный разогрев смеси порошков и ее налипание на стенки кюветы мельницы, что препятствует процессу механосинтеза. Оптимальной частоте вращения барабана 320 об/мин соответствует следующий циклический режим работы мельницы: 20-30 мин - непосредственно механосинтез при вращающемся барабане, 40-60 мин - охлаждение при неподвижном барабане. Общая продолжительность механосинтеза составляет 3 часа.
Затем проводят холодное прессование порошковой смеси при 300 МПа с последующим горячим прессованием в графитовой пресс-форме при температуре 1350-1450°С, давлении 5-15 МПа и изотермической выдержке 0,5-2 часа, в вакууме или в атмосфере инертного газа. Нагрузку прикладывают непосредственно перед началом нагрева, нагрев ведут со скоростью 10 град./мин.
С помощью изменения параметров механосинтеза и горячего прессования регулируют размер зерна, фазовый состав и плотность композиционного материала.
Общая продолжительность механосинтеза менее 1 часа приводит к укрупнению размера зерна и снижению плотности композиционного материала, а более 3 часов - к загрязнению материала и снижению содержания карбосилицида титана.
Регулированием температуры и давления горячего прессования изменяют фазовый состав и плотность композиционного материала. Проведение горячего прессования при температуре ниже 1400°С приводит к снижению плотности материала и к увеличению содержания примеси карбида титана. При температуре горячего прессования более 1500°С плотность композиционного материала увеличивается, а содержание карбосилицида титана снижается. Давление горячего прессования менее 5 МПа не позволяет достичь достаточной плотности композиционного материала (более 90% от теоретической) и, следовательно, приемлемых механических свойств. При использовании давления более 15 МПа значительно возрастает сложность и стоимость технологического оборудования.
Содержание добавки наноразмерного оксида алюминия влияет на твердость, износостойкость и содержание карбосилицида титана в композиционном материале. Экспериментально установлено, что введение в композиционный материал менее 3 масс.% оксида алюминия не оказывает влияния на его механические свойства. При увеличении содержания Al2O3 от 3 до 7 масс.% твердость и износостойкость материала возрастает, а содержание примеси карбида титана падает. Полученный композиционный материал обладает износостойкостью в 1,5-5 раз выше по сравнению с износостойкостью карбида кремния. Введение более 7 масс.% оксида алюминия приводит к снижению содержания карбосилицида титана и трещиностойкости материала.
Данным способом получают композиционный материал плотностью от 4,4 до 4,6 г/см3 в зависимости от фазового состава. Экспериментально установлено влияние содержания порошка оксида алюминия на фазовый состав конечного продукта. Добавление наноразмерного порошка оксида алюминия снижает содержание примесей карбида и силицидов титана, что позволяет отказаться от использования высокочистого дорогостоящего сырья. Повышение содержания фазы Ti3SiC2 благоприятно сказывается на квазипластических свойствах материала и повышает его трещиностойкость.
Добавка наноразмерного порошка оксида алюминия замедляют рост зерна материала при горячем прессовании, что также повышает пластические свойства материала. Частицы оксида алюминия выступают в качестве дисперсно-упрочняющей фазы и повышают износостойкость композиционного материала.
Пример 1
Готовят смесь: 17,71 г порошка титана ТПП-7 фракции менее 125 мкм, 6,18 г порошка технического карбида кремния фракции менее 10 мкм, 1,11 г порошка углерода марки С-1, 0,75 г порошка Al2O3 фракции 20-100 нм. Порошковую смесь подвергают механосинтезу в планетарной мельнице «САНД» при соотношении масс мелющих шаров и порошковой смеси 30:1, в атмосфере вакуума, в циклическом режиме (20 мин - механосинтез, 40 мин охлаждение), с общей продолжительностью механосинтеза 3 ч. Полученную шихту подвергают холодному прессованию при 300 МПа, затем горячему прессованию при температуре 1400°С, давлении 15 МПа, выдержке 1 ч. В результате получают композиционный материал, содержащий 65 масс.% карбосилицида, 3 масс.% оксида алюминия и 32 масс.% карбида титана. По данным рентгенофазового анализа примеси силицидов титана отсутствуют. Плотность полученного материала составляет 4,60 г/см3 (пористость - менее 1%), твердость - 8 ГПа.
Пример 2
Готовят смесь: 17,71 г порошка титана ТПП-7 фракции менее 250 мкм, 6,18 г порошка технического карбида кремния фракции менее 10 мкм, 1,11 г порошка углерода марки С-1, 0,75 г порошка Al2O3 фракции 20-100 нм. Порошковую смесь подвергают механосинтезу в планетарной мельнице «САНД», при соотношении масс мелющих шаров и порошковой смеси 15:1, в атмосфере вакуума, в циклическом режиме (20 мин - механосинтез, 40 мин охлаждение), с общей продолжительностью механосинтеза 3 ч. Полученную шихту подвергают горячему прессованию при температуре 1450°С, давлении 5 МПа, выдержке 1 ч. В результате получают композиционный материал, содержащий 95 масс.% карбосилицида, 3 масс.% оксида алюминия и 2 масс.% карбида титана. По данным рентгенофазового анализа примеси силицидов титана отсутствуют. Плотность полученного материала составляет 4,41 г/см3 (пористость - 2,2%), твердость - 9 ГПа.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить композиционный материал на основе карбосилицида титана с заданным содержанием примеси карбида титана, низкой пористостью, повышенной твердостью и износостойкостью, с использованием недорогого сырья, при снижении энергозатарат.
Claims (1)
- Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающий создание порошковой смеси, состоящей из титана, кремния, графита или соединений, их содержащих, механосинтез порошковой смеси, холодное и горячее прессование, отличающийся тем, что в порошковую смесь вводят 3-7 мас.% наноразмерного порошка оксида алюминия, а горячее прессование проводят при давлении 5-15 МПа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009139530/02A RU2410197C1 (ru) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009139530/02A RU2410197C1 (ru) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2410197C1 true RU2410197C1 (ru) | 2011-01-27 |
Family
ID=46308325
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009139530/02A RU2410197C1 (ru) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2410197C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458167C1 (ru) * | 2011-06-06 | 2012-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана для плазменных покрытий |
RU2458168C1 (ru) * | 2011-06-06 | 2012-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана для ионно-плазменных покрытий |
RU2486164C2 (ru) * | 2011-07-19 | 2013-06-27 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Ti3SiC2 |
RU2610380C2 (ru) * | 2015-07-13 | 2017-02-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана |
RU2638866C1 (ru) * | 2016-06-15 | 2017-12-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения высокотемпературного порошкового композиционного материала на основе карбидов кремния и титана |
-
2009
- 2009-10-26 RU RU2009139530/02A patent/RU2410197C1/ru active
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458167C1 (ru) * | 2011-06-06 | 2012-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана для плазменных покрытий |
RU2458168C1 (ru) * | 2011-06-06 | 2012-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" | Способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана для ионно-плазменных покрытий |
RU2486164C2 (ru) * | 2011-07-19 | 2013-06-27 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Ti3SiC2 |
RU2610380C2 (ru) * | 2015-07-13 | 2017-02-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана |
RU2638866C1 (ru) * | 2016-06-15 | 2017-12-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения высокотемпературного порошкового композиционного материала на основе карбидов кремния и титана |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wan et al. | Spark plasma sintering of silicon nitride/silicon carbide nanocomposites with reduced additive amounts | |
KR101160140B1 (ko) | 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법 | |
RU2410197C1 (ru) | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана | |
RU2372167C2 (ru) | Способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана | |
Sun et al. | Ternary compound Ti3SiC2: part I. Pulse discharge sintering synthesis | |
CN111646799B (zh) | 一种燃烧法制备Tin+1ACn材料的方法 | |
CN111675541A (zh) | 一种含碳max相材料的制备方法 | |
Li et al. | Microstructure and mechanical properties of aluminum nitride co-doped with cerium oxide via hot-pressing sintering | |
Yao et al. | Porous Si3N4 ceramics prepared via slip casting of Si and reaction bonded silicon nitride | |
CN106517225B (zh) | 一种超细M1-xTixB2粉体的制备方法 | |
Yang et al. | Effect of Si/C ratio and their content on the microstructure and properties of Si–B–C–N Ceramics prepared by spark plasma sintering techniques | |
Zhou et al. | Fabrication of high-purity ternary carbide Ti3SiC2 by spark plasma sintering technique | |
WO2011011606A2 (en) | Methods of forming sintered boron carbide | |
Turki et al. | SPS parameters influence on Ti3SiC2 formation from Si/TiC: Mechanical properties of the bulk materials | |
CN113416076A (zh) | 一种自增强碳化硅陶瓷材料的制备方法 | |
Yang et al. | Low-temperature synthesis of high-purity Ti3AlC2 by MA-SPS technique | |
Zou et al. | Synthesis reactions for Ti3SiC2 through pulse discharge sintering TiH2/Si/TiC powder mixture | |
Yang et al. | Synthesis of Ti3AlC2 by spark plasma sintering of mechanically milled 3Ti/xAl/2C powder mixtures | |
Barbakadze et al. | Method of obtaining multicomponent fine-grained powders for boron carbide matrix ceramics production | |
Tang et al. | Fine and high-performance B6. 5C-TiB2-SiC-BN composite fabricated by reactive hot pressing via TiCN–B–Si mixture | |
Molero et al. | Ti/Ti3SiC2 (/TiC) bulk and foam composites by pyrolysis of polycarbosilane and TiH2 mixtures | |
CN107043260A (zh) | 一种新型三元锇铼二硼化物(Os1‑xRexB2)硬质材料及其制备方法 | |
Yaghobizadeh et al. | Investigation of the effect of various parameters on the amount and morphology of nano-laminate MAX phase in Cf-C-SiC-Ti3SiC2 composite | |
Sun et al. | Synthesis and consolidation of ternary compound Ti3SiC2 from green compact of mixed powders | |
RU2460706C2 (ru) | Способ получения порошковой композиции на основе карбосилицида титана |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20120530 |