cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2015-6-53-62cvmet-276Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)Self-Propagating High-Temperature SynthesisПОЛУЧЕНИЕ АЛЮМОКЕРАМИЧЕСКИХ КАРКАСНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ МАХ-ФАЗЫ Ti2AlC МЕТОДОМ СВС-ПРЕССОВАНИЯFabrication of aluminum–ceramic skeleton composites based on the Ti2AlC MAX phase by SHS compactionФедотовА. Ф.FedotovA. F.

докт. техн. наук, профессор кафедры механики СамГТУ (443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244), вед. науч. сотрудник кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения (ТМиАМ) СГАУ (443086, Самара, Московское шоссе, 34)

Dr. Sci. (Eng.)., Prof., Department of Mechanics, Samara State Technical University (SamSTU) (443086, Russia, Samara, Moskovskoye shosse, 34); Leading Researcher, Department of Metals Technology and Aeronautical Materials Science, Samara State Aerospace University (SSAU) (443100, Russia, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244, Main building).

a.fedotov50@mail.ruАмосовА. П.AmosovA. P.

докт. физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов (МПМН) СамГТУ, зав. кафедрой ТМиАМ СГАУ

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of Department of Metals Science, Powder Metallurgy, Nanomaterials SamSTU; Head of Department of Metals Technology and Aeronautical Materials Science, SSAU

egundor@yandex.ruЛатухинЕ. И.LatukhinE. I.

канд. техн. наук, доцент кафедры МПМН СамГТУ, ст. науч. сотрудник кафедры ТМиАМ СГАУ

Cand. Sci. (Eng.), Associate Prof., Department of Metals Science, Powder Metallurgy, Nanomaterials, SamSTU; Senior Researcher, Department of Metals Technology and Aeronautical Materials Science, SSAU

evgelat@yandex.ruНовиковВ. А.NovikovV. A.

аспирант кафедры МПМН СамГТУ

Post-graduate Student, Department of Metals Science, Powder Metallurgy, Nanomaterials, SamSTU

vladislav_novyi@mail.ruСамарский государственный технический университет (СамГТУ) Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет) (СГАУ)Russian FederationСамарский государственный технический университет (СамГТУ)Russian Federation201517122015065362Copyright © Федотов А.Ф., Амосов А.П., Латухин Е.И., Новиков В.А., 20152015Федотов А.Ф., Амосов А.П., Латухин Е.И., Новиков В.А.Fedotov A.F., Amosov A.P., Latukhin E.I., Novikov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/276

Рассмотрена одностадийная технология получения алюмокерамических каркасных композитов путем совмещения процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористого каркаса из МАХ-фазы состава Ti2AlC и его пропитки под давлением расплавом алюминия (метод СВС-прессования). Выбран состав экзотермической шихты 2Ti + C + + 22,5мас.%Al + 10мас.%TiH2, обеспечивающий получение по технологии СВС пористого каркаса МАХ-фазы Ti2AlC без примесных фаз. Показано, что при пропитке алюминием горячего СВС-каркаса образуются новые фазы: МАХ-фаза (Ti3AlC2), карбид (TiC) и алюминид (Al3Ti) титана. Вместе с тем содержание базовой МАХ-фазы остается высоким, и керамический компонент материала на 76 % состоит из Ti2AlC. При анализе микроструктуры выявлено, что после пропитки и охлаждения композит имеет некоторую остаточную пористость. Выполнены экспериментальные исследования влияния давления пропитки (q = 22, 28 и 35 МПа) на распределение содержания алюминия по высоте и радиусу диаметрального сечения образца. Показано, что неоднородное распределение Al по объему образца обусловлено неоднородными полями давления и температуры и разной уплотняемостью горячих внутренних и более холодных наружных объемов образца. При увеличении давления пропитки степень уплотнения характерных зон выравнивается и неоднородность состава по объему образца уменьшается. При q = 35 МПа разность концентраций алюминия по объему образца не превышает 5 %. По уровню твердости (HB ≈ 150 кг/мм2) СВС-прессованный алюмокерамический каркасный композит на основе МАХ-фазы Ti2AlC соответствует алюминиевым сплавам высокой прочности Al–Zn–Mg–Cu.

A one-stage manufacturing technology of aluminum-ceramic skeleton composites by combining the processes of self-propagating hightemperature synthesis (SHS) of a porous skeleton formed by the MAX phase of the Ti2AlC composition and its impregnation by the aluminum melt under the pressure (SHS compaction). A composition of the exothermic charge 2Ti + C + 22,5 wt % Al + 10 wt % TiH2, which provides the formation of a porous skeleton of the Ti2AlC phase without impurity phases by the SHS technology, is selected. It is shown that when impregnating the hot SHS skeleton with aluminum, new phases are formed such as the MAX phase (Ti3AlC2), titanium carbide (TiC), and titanium aluminide (Al3Ti). However, the content of the basic MAX phase remains high, and the ceramic component of the material consists of Ti2AlC by 76 %. When analyzing the microstructure, it is revealed that the composite has certain residual porosity after the impregnation and cooling. The influence of the impregnation pressure (q = 22, 28 and 35 MPa) on the distribution of the aluminum content over the height and radius of the diametral sample section is investigated experimentally. It is shown that the nonuniform Al distribution over the sample bulk is caused by the nonuniform pressure and temperature fields as well as different compactibility of hot inner and colder outer sample parts. The degree of compaction of characteristic zones is leveled as the impregnation pressure increases, and composition inhomogeneity over the sample bulk decreases. The difference of aluminum concentration over the sample bulk at q = 35 MPa does not exceed 5 %. By the hardness level (HB ≈ 150 kg/mm2), the SHS-compacted aluminum-ceramic skeleton composite based on the Ti2AlC MAX phase corresponds to high-strength Al–Zn–Mg–Cu aluminum alloys.

алюмокерамический композиткаркассамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)МАХ-фазапропитка под давлениемaluminum-ceramic compositeskeletonself-propagating high-temperature synthesis (SHS)MAX phasepressure impregnation.ReferencesAdebisi A.A., Maleque M.A., Rahman M.M. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis // Int. J. Autom. and Mech. Eng. 2011. Vol. 4. P. 471—480.Adebisi A.A., Maleque M.A., Rahman M.M. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis. Int. J. Autom. and Mech. Eng. 2011. Vol. 4. P. 471—480.Binner J.,Chang H., Higginson R. Processing of ceramicmetal interpenetrating composites // J. Europ. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 837—842.Binner J.,Chang H., Higginson R. Processing of ceramicmetal interpenetrating composites. J. Europ. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 837—842.Li J., Binner J., Higginson R. Dry sliding wear behavior of co-continuous ceramic foam/aluminum alloy interpenetrating composites produced by pressureless infiltration // Wear. 2012. Vol. 276. P. 94—104.Li J., Binner J., Higginson R. Dry sliding wear behavior of co-continuous ceramic foam/aluminum alloy interpenetrating composites produced by pressureless infiltration. Wear. 2012. Vol. 276. P. 94—104.Wang H., Wang S., Liu G., Wang Y. AlSi11/Si3N4 interpenetrating composites. Tribology properties of aluminum matris composites // Advan. Mater. Phys. and Chem. 2012. Vol. 2. No. 4B. P. 130—133.Wang H., Wang S., Liu G., Wang Y. AlSi11/Si3N4 interpenetrating composites. Tribology properties of aluminum matris composites. Advan. Mater. Phys. and Chem. 2012. Vol. 2. No. 4B. P. 130—133.Peng H.X., Fan Z., Evans J.R.G. Bi-continuous metal matrix composites // Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 303. P. 37—45.Peng H.X., Fan Z., Evans J.R.G. Bi-continuous metal matrix composites. Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 303. P. 37—45.Lan J., Yan-li J., Liang Y., Nan S., You-dong D. Experimental study and numerical analysis on dry friction and wear performance of co-continuous SiC/Fe−40Cr against SiC/2618 Al alloy composites // Trans. Nonfer. Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. P. 2913—2924.Lan J., Yan-li J., Liang Y., Nan S., You-dong D. Experimental study and numerical analysis on dry friction and wear performance of co-continuous SiC/Fe–40Cr against SiC/2618 Al alloy composites. Trans. Nonfer. Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. P. 2913—2924.Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007.Amosov A.P., Borovinskaya I.P., Merzhanov. A.G. Poroshkovaya tekhnologiya samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza materialov [Powder Technology of Self-propagating High-temperature Synthesis of Materials]. Moscow: Mashinostroenie-1, 2007.Barsoum M. W. Thermodynamically stable nanolaminates // Progr. Solid State Chem. 2000. Vol. 28. P. 201—281.Barsoum M. W. Thermodynamically stable nanolaminates. Progr. Solid State Chem. 2000. Vol. 28. P. 201—281.Самсонов Г.В., Борисова А.Л., Жидкова Т.Г. и др. Физико-химические свойства окислов: Справочник. М.: Металлургия, 1978.Samsonov G.V., Borisova A.L., Zhidkova T.G. et al. Phisikokhimicheskie svoistva okislov: Spravochnik [Physical and chemical properties of oxides: reference book]. Moscow: Metallurgiya, 1978.Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. М.: Металлургия, 1976.Samsonov G.V., Vinnitsky I.M. Tugoplavkie soedineniya: Spravochnik [Refractory compounds: Reference book]. Moscow: Metallurgiya, 1976.Wang X.H., Zhou Y.C. Layered machinable and electrically conductive Ti2AlC and Ti3AlC2 ceramics: a review // J. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol.26. No. 5. P. 385—416.Wang X.H., Zhou Y.C. Layered machinable and electrically conductive Ti2AlC and Ti3AlC2 ceramics: a review. J. Mater. Sci. Technol. 2010. Vol. 26. No. 5. P. 385—416.Wang P., Mei B., Hong X., Zhou W. Synthesis of Ti2A1C by hot pressing and its mechanical and electrical properties//Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2007. Vol.17. P. 1001—1004.Wang P., Mei B., Hong X., Zhou W. Synthesis of Ti2A1C by hot pressing and its mechanical and electrical properties. Trans. Nonfer. Met. Soc. China. 2007. Vol. 17. P. 1001—1004.Ge Z., Chena K., Guo J., Zhou H., Ferreira J.M.F. Combustion synthesis of ternary carbide Ti3AlC2 in Ti–Al–C system // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. Vol. 23. P. 567—574.Ge Z., Chena K., Guo J., Zhou H., Ferreira J.M.F. Combustion synthesis of ternary carbide Ti3AlC2 in Ti—Al—C system. J. Eur. Ceram. Soc. 2003. Vol. 23. P. 567—574.Левашов Е.А., Погожев Ю.С., Штанский Д.В., Петржик М.И. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез керамических материалов на основе Мn+1АХn фаз в системе Ti—Cr—Al—C // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2008. No. 3. С. 34—46.Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Shtansky D.V., Petrzhik M.I. Samorasprostranyayushchiysya vysokotemperaturny sintez keramicheskikh materialov na osnove Мn+1АХn phaz v sisteme Ti—Cr—Al—C [Self-propagating high-temperature synthesis of ceramics on the base of Мn+1АХn phases in the system of Ti—Cr—Al—C]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2008. No. 3. P. 34—46.Stolin A.M., Vrel D., Galyshev S.N.,Hendaoui A., Bazhin P.M., Sytschev A.E. Hot forging of MAX compounds SHS-producedin the Ti—Al—C system // Int. J. SHS. 2009. Vol. 18. No. 3. P. 194—199.Stolin A.M., Vrel D., Galyshev S.N., Hendaoui A., Bazhin P.M., Sytschev A.E. Hot forging of MAX compounds SHS-pro-duced in the Ti—Al—C system. Int. J. SHS. 2009. Vol. 18. No. 3. P. 194—199.Meng F., Liang B., Wang M. Investigation of formation mechanism of Ti3SiC2 by self-propagating high-temperature synthesis // Int. J. Refr. Met. and Hard Mater. 2013. Vol. 41. P. 152—161.Meng F., Liang B., Wang M. Investigation of formation mechanism of Ti3SiC2 by self-propagating high-temperature synthesis. Int. J. Refr. Met. and Hard Mater. 2013. Vol. 41. P. 152—161.Thomas T., Bowen C.R. Thermodynamic predictions for the manufacture of Ti2AlC MAX-phase ceramic by combustion synthesis // J. Alloys and Comp. 2014. Vol. 602. P. 72—77.Thomas T., Bowen C.R. Thermodynamic predictions for the manufacture of Ti2AlC MAX-phase ceramic by combustion synthesis. J. Alloys and Comp. 2014. Vol. 602. P. 72—77.Федотов А.Ф., Амосов А.П., Латухин Е.И., Ермошкин А.А., Давыдов Д.М. Влияние газифицирующих добавок на фазовый состав продуктов горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе МАХ-фаз в системе Ti—C—Al // Изв. Самар. НЦ РАН. 2014. Т. 16. No. 6. С. 50—55.Fedotov A.F., Amosov A.P., Latukhin E.I., Ermoshkin A.A., Davydov D.M. Vliyanie gazifitsiruyushchikh dobavok na phazovy sostav produktov goreniya pri samorasprostranyayushchemsya vysokotemperaturnom sinteze MAX-phaz v sisteme Ti–C–Al [The influence of gasifying additives on phase composition of combustion products at selfpropagating high-temperature synthesis of MAX-phases in Ti–C–Al system]. Izv. Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2014. Vol. 16. No. 6. P. 50—55.Spencer С.В. Fiber-Reinforced Ti3SiC2 and Ti2AlC MAX Phase Composites // A Thesis of Master of Science in Materials Science and Engineering. Drexel University, 2010.Spencer С.В. Fiber-Reinforced Ti3SiC2 and Ti2AlC MAX Phase Composites. In: A Thesis of Master of Science in Materials Science and Engineering. Drexel University, 2010.Ермошкин А.А. СВС-прессование многокомпонентных катодов на основе систем Ti—C—Al и Ti—C—Al—Si для нанесения вакуумно-дуговых покрытий: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Самара: СамГТУ, 2012.Ermoshkin A.A. SVS-pressovanie mnogokomponentnykh katodov na osnove system Ti—C—Al i Ti—C—Al—Si dlya naneseniya vakuumno-dugovykh pokryty [SHS-compaction of multicomponent cathodes of the Ti—C—Al and Ti—C—Al—Si systems for vacuum-arc coatings]: Selfsummary of PhD thesis. Samara: SamSTU, 2012.Промышленные алюминиевые сплавы: Справочник / Под ред. Ф.И. Квасова, И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1984.Promyshlennye alyuminievye splavy: Spravochnik [Industrial aluminum alloys: Reference book]. Eds. F.I. Kvasov, I.N. Fridlyander. Moscow: Metallurgiya, 1984.Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. М.: Металлургия, 1986.Tuchinsky L.I. Kompositsionnye materialy, poluchaemye metodom propitki [Composites made by infiltration method]. Moscow: Metallurgiya, 1986.

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