Механохимическое формирование композитных структур в системе Fe/Ti

Нанокристаллические композиционные порошки на основе железа являются перспективными прекурсорами для получения целого ряда композиционных материалов, покрытий с высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и другими функциональными свойствами [1, 2]. Материалы на основе Fe-Ti получили широкое применение в качестве лигатуры при получении сплавов методом порошковой металлургии и в сталелитейной промышленности для раскисления и легирования сталей с целью повышения их коррозионной стойкости [3]. Одним из основных направлений в улучшении свойств сплавов является придание им конструкционной прочности за счет формирования наноструктурного состояния, и в этом существенную роль играют морфологические характеристики получаемых прекурсоров спекания. Было показано, что уменьшение размера их частиц до нанометровых приводит к существенным изменениям свойств материала [4]. В последние годы наиболее перспективным методом получения уль-традисперсных порошков является механохимиче-ский метод [2], который позволяет формировать композитные структуры Fe/Ti с большой контактной поверхностью между Fe и Ti, а также высокой концентрацией дефектов в приграничных областях. Это обеспечивает существенное снижение температуры и увеличение скорости химического взаимодействия между ними. Кроме того, механокомпозиты активного металла в матрице неактивного могут быть использованы для механохимического восстановления оксидов, обеспечивая высокие скорости и низкие температуры процесса, что позволяет получать высокодисперсные материалы с равномерным распределением компонентов.

Целью работы было изучение структуры и морфологических характеристик механохимически полученных композитов в системе Fe – Ti с различным содержанием Ti.

Материал и методы.

В работе использовались порошки железа марки ПЖРВ3.200, ТУ6-09-5346-87 и титана марки

ПТОМ. Металлические механокомпозиты были получены в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с водяным охлаждением в атмосфере аргона.

Изучение структурно-фазовых состояний порошковых композитов и влияния механической активации на тонкую структуру кристаллитов проводили методом полнопрофильной рентгеновской дифракции на порошковом дифрактометре D8 Advance с использованием характеристического излучения медного анода рентгеновской трубки Cu K α (λ = 1.5406 Å.

Исследования морфологических характеристик и топографии поверхности получаемых продуктов выполнены на атомно-силовом микроскопе NT-206 (Microtestmachines, г. Гомель) стандартными коммерческими V-образными зондами NSC11 (Mikro-masch) в контактном режиме.

Результаты и обсуждение.

Согласно равновесной диаграмме состояния (рис. 1) система Fe - Ti является химически взаимодействующей, для нее характерно образование двух интерметаллидов и твердых растворов.

Рис. 1. Равновесная диаграмма состояния системы Fe-Ti

На рис. 2 приведены дифрактограммы порошковых продуктов МА системы Fe–20% Ti с длительностью 4 мин и 20 мин.

Рентгенографические исследования показали, что при 4 мин МА основными фазами являются α -Fe и Ti, с увеличением времени механической активации до 20 мин наблюдается значительное снижение интенсивности дифракционных отражений фазы Ti и уширение пиков железа без изменения параметров его решетки. С увеличением концентрации титана в смеси Fe – Ti до 30 и 40 вес. % эти закономерности сохраняются (рис. 3, а и б).

Рис. 2. Дифрактограммы порошков состава Fe+20%Ti после МА в течение: а – 4 мин, б – 20 мин.

Уточнение и расчет микроструктурных параметров (параметров решетки, размера кристаллитов, микронапряжений) проводили с использованием метода полнопрофильного разложения дифрак-тограммы по методу Pawley и аналитической аппроксимацией профиля рентгеновских линий. Результаты, полученные методом РСА, показывают, что при МА до 20 мин твердые растворы Fe(Ti) не образуются в изученных концентрационных областях титана. Уширение пиков железа и незначительное увеличение его параметра решетки на начальной стадии МА обусловлено высоким уровнем микронапряжений. Увеличение длительности МА приводит к уменьшению среднего размера кристаллитов железа, и это сопровождается релаксацией микронапряжений.

Размеры областей когерентного рассеяния титана также уменьшаются с увеличением времени мехактивации от 80-90 нм до 17-20 нм при 20 мин МА для всего концентрационного интервала.

На основании результатов рентгеноструктурного анализа можно предположить, что распределение титана происходит в зернограничной области железа.

Рис. 3. Дифрактограммы порошков состава Fe+30%Ti (а) и Fe+40%Ti (б) после МА в течение: 1 – 4 мин, 2 – 20 мин.

Исследование морфологических особенностей структуры механокомпозитов было проведено методом атомно-силовой микроскопии для состава Fe+20%Ti (рис. 4) и показало, что они являются гетерофазными при всех временах МА, однако с увеличением времени активации формируются более плотные структуры (рис. 4б).

Анализ картин распределения латеральных сил позволяет оценить минимальный размер структурных образований, который составляет ~ 50 нм. Размер темных образований (предположительно титана), которые расположены по границам кристаллитов железа, составил 40-70 нм. Для образца после 20 мин МА размер кристаллитов методом АСМ из-за их малости установить не удалось. Размер зерна составил 100-400 нм.

Выводы:

Показано, что при интенсивной механической активации в высокоэнергетической планетарной мельнице для химически взаимодействующих металлов Fe и Ti в широком концентрационном интервале активного металла были сформированы механокомпозиты Fe/Ti, в которых активный металл (Ti) распределен по поверхности зерен железа. При больших временах МА усиливается процесс агломерации, и образуются частицы с широким диапазоном размеров, а также уменьшается размер кристаллитов железа и титана и уровень микронапряжений.

а)

Работа выполнена согласно Государственному заданию ФГБУН ИХТТМ СО РАН, Проект V.45.2.7 (№ 0301-2014

0006), п. 5.1.