книги / Получение и свойства тугоплавких соединений на основе титана

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет» Научный центр порошкового материаловедения

В.А. Жиляев, А.М. Ханов

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 546.82/83.261 Ж726

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Л.М. Гревнов (Пермский государственный технический университет);

д-р физ.-техн. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный университет).

Жиляев, В.А.

Ж726 Получение и свойства тугоплавких соединений на основе титана: учеб. пособие / В.А. Жиляев, А.М. Ханов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 40 с.

ISBN 978-5-398-00507-3

Исследован фазовый состав, период кристаллической решетки, размер областей когерентного рассеяния, определены размеры частиц порошков TiN и TiC. Рассмотрены основные закономерности кинетики и механизма взаимодействия карбида титана различного состава с Ni–Mo-расплавами. Изучены процессы растворения, фазо- и структурообразования в композициях с участием нитрида титана.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, аспирантов, инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в фундаментальных и прикладных областях порошковой металлургии и материаловедения.

ISBN 978-5-398-00507-3 © ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2010

3

ВВЕДЕНИЕ

Тугоплавкие фазы внедрения (ТФВ) – кубические (типа NaCl) карбиды, нитриды, монооксиды переходных металлов IV, V групп, их взаимные твердые растворы – характеризуются уникальным сочетанием твердости, прочности и пластичности. Однако высокая химическая активность ТФВ существенно ограничивает возможности их использования на практике. Лишь понимание природы химической активности ТФВ, знание закономерностей ее проявления в контакте с различными средами и умение управлять химическим процессом позволяют успешно решать задачи синтеза ТФВ, разрабатывать современные материалы и композиции на их основе, создавать соответствующие химические технологии. Поэтому от способа получения и свойств тугоплавких фаз внедрения зависит характер их взаимодействия с составляющими композиционных материалов.

Информацию о кинетике и механизме протекания реакций, о влиянии состава ТФВ на процессы растворения, фазо- и структурообразования содержит данное пособие.

4

1. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОРОШКОВ TiN И TiC

Основная область применения твердофазных взаимодействий (ТФВ) – композиционные материалы инструментального и конструкционного назначения. К ним относятся, прежде всего, твердые сплавы и керметы [1–7], а также карбидостали [8], литейные сплавы [9–10], защитные покрытия [11–12], наплавочные [13] и сварочные материалы [14]. Поскольку в большинстве случаев процесс получения композита связан с межфазными явлениями на границе ТФВ – металлический расплав, проблема жидкофазного взаимодействия контактирующих компонентов выступает на первый план.

Влитературе достаточно подробно освещены термодинамические (равновесные) аспекты этой проблемы – вопросы совместимости фазовых равновесий, смачиваемости, растворимости при жидкофазном взаимодействии [15–26]. Что касается информации

окинетике и механизме протекания реакций, о влиянии состава ТФВ на процессы растворения, фазо- и структурообразования, то она представлена в литературе ограниченно.

Внастоящем учебном пособии приведены данные по исследованию получения и свойств порошков на основе титана методами магнетронного распыления и углетермического восстановления.

Порошки тугоплавкого соединения TiN получали магнетронным распылением в газовой смеси аргона и азота (примесь кислорода не более 0,5 %) при различном сочетании технологических параметров.

Вкачестве испаряемых материалов применялись мишени из титана марки ВТ-00. Напряжение смещения, мощность магнетрона (ток

магнетрона), соотношение смеси газов (N2/Ar, %), время осаждения порошков тугоплавкого соединения TiN и дистанция между распы-

5

ляемой мишенью и подложкой оставались неизменными и составили соответственно U = 50 В, соотношение N2/Ar % = 35/65 и скорость распыления мишени, т.е. ток разряда I = 4,1 А, t = 50 мин, L = 100 мм. Направление ионно-плазменного потока – перпендикулярно плоскости подложки.

Методом рентгеноструктурного фазового анализа на дифрактометре XRD-6000 Shimadzu в монохроматическом CuKα- излучении исследовали фазовый состав (количественный и качественный), период кристаллической решетки, уровень микродеформаций и размер областей когерентного рассеяния (ОКР) порошков TiN.

Рентгеновский фазовый анализ (РФА) порошков тугоплавкого соединения показал, что исследуемый порошок при всех оптимальных режимах нанесения является однофазным и представляет собой кубический нитрид титана TiN (рис. 1, табл. 1).

20, град

Рис. 1. Дифрактограмма порошка нитрида титана, полученного методом магнетронного распыления

6

Таблица 1

Дифракционные максимумы порошка нитрида титана

Параметр кристаллической решетки нитрида титана а = 0,424 – 0,426 нм для всех исследованных порошков. Таким образом, при осаждении тугоплавкого соединения из газовой фазы параметр кристаллической решетки соответствует табличным значениям для стехиометрического кубического нитрида TiN (Структурная база данных Международного центра дифракционных данных – International Center for Diffraction Data PDF-4+ № 00-006-0642). Поэтому можно говорить о практически стопроцентном заполнении подрешетки неметаллических атомов в осажденном тугоплавком соединении. Для полученных порошков нитрида титана величина областей когерентного рассеяния составляет 25–40 нм.

Размер частиц нитрида титана исследовался на дисковой цен-

трифуге CPS Disc Centrifug 24000 (CPS Instrument Inc., США), а так-

же на лазерном анализаторе Analvsceette22 NanoTec.

Исследования методом высокоскоростной седиментации показали следующие величины параметров распределения частиц по размерам в диапазоне исследования 0,01–1,0 мкм: средний медианный размер для частиц порошка тугоплавкого соединения TiN составляет 0,523 мкм, доля частиц размером от 0,1 до 1,0 мкм состав-

ляет 67 %, от 0,01 до 0,1 мкм − 33 %.

7

Исследования на лазерном анализаторе показали, что средний медианный размер для частиц порошка TiN составляет 1,5 мкм, доля частиц размером менее 0,368 мкм составляет 8 %, частиц размером менее 4,6 мкм – 92 %. Фракция частиц размером менее 1 мкм составляет 30 %, менее 0,200 нм – 3 %.

На рис. 2 представлены частицы порошка нитрида титана. Частицы порошка имеют неправильную форму и представляют собой конгломераты более мелких частиц. Субчастицы имеют нанокристаллическое строение с размерами кристаллитов от 30 нм (рис. 2, б).

а

б

Рис. 2. Частицы порошка TiN (СЭМ)

8

В диоксид титана добавляли 31,5 % сажи, данную смесь подвергали продолжительному и тщательному перемешиванию в жидкой среде. Для снижения времени приготовления смеси процесс проводился в вакууме. Полученную шихту прессовали под давлением 1,5–107 Па в брикеты, которые загружали в графитовые тигли.

Карбидизация смеси проводилась в вакуумных садочных печах. Реакция образования TiC начиналась уже при 800 °С и быстро протекала при 1200–1400 °С. Окончательная выдержка продолжительностью 0,5 ч проводилась при 1900–1950 °С. Карбид титана после измельчения и просева содержал 19,5–20,3 % общего и 0,1–0,8 % свободного углерода.

Рентгеновский фазовый анализ порошка тугоплавкого соединения TiC показал, что исследуемое тугоплавкое соединение является однофазным и представляет собой кубический нитрид титана TiС. Параметр кристаллической решетки TiC а = 4,3250 Å (см. рис. 3, табл. 2).

а

Рис. 4. Частицы порошка TiC (СЭМ)

10