Силовое СВС-компактирование непорошковых слоевых композиций Ti-SiC

Характерной особенностью керамических материалов на основе карбидосилицида титана Ti 3 SiC 2 являются высокая трещиностойкость, нечувствительность к термоудару, а также хорошая механическая обрабатываемость. Проявление подобных свойств главным образом обусловлено слоистостью кристаллической структуры Ti 3 SiC 2 , выражающейся в относительно слабой связи между карбидными слоями [Ti 3 C 2 ] ∞∞ и разделяющими их слоями атомов кремния [Si] ∞∞ . Благодаря такому наноламинатному строению зёрна Ti 3 SiC 2 при нагрузке способны сильно деформироваться, локализуя механические повреждения материала, препятствуя тем самым его макроскопическому разрушению [1, 2].

Несмотря на очевидный инновационный потенциал материалов на основе Ti3SiC2, их промышленное освоение сдерживается высокой стоимостью и технической сложностью известных методов получения: горячего изостатического прессования [3–6], искрового плазменного спекания [7, 8], химического осаждения из газовой фазы [9, 10] и т.п. Поиск технологически и экономически эффективных способов производства – одна из наиболее актуальных задач современного этапа исследований. Перспективным направлением её решения может стать применение методов самораспростра-няющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в сочетании с использованием слоевых реакционных композиций, представляющих собой пакеты регулярно уложенных реагентов в виде плёнок и фольг. Технико-экономические преимущества подобного подхода выражаются в характерном для СВС низком уровне энергетических и временных затрат, а также высокой технологичности использования непорошковых реагентов при производстве крупногабаритных изделий.

В настоящей работе изложены результаты лабораторных экспериментов по получению керамики Ti 3 SiC 2 –TiSi 2 –SiC путём силового СВС-компак-тирования слоевой реакционной композиции Ti–SiC.

Методика эксперимента

В качестве источника титана применялась фольга ВТ 1-0 толщиной 55 мкм. Источником кремния и углерода служила полимерная плёнка толщиной 135 мкм, изготовленная на основе поливинилового спирта (ПВС) с наполнением изометричными частицами карбида кремния, средний размер которых составлял 20 мкм, массовая доля SiC – 70 %. Образцы, сформированные путём многослойной укладки реагентов, как показано на рис. 1, подвергались вакуумной термообработке под механической нагрузкой 200 кН/м2. Температурный режим включал два изотермических участка: 1) при 400°С в течение 30 мин для удаления ПВС; 2) при 1340 °С в течение 15 мин для проведения синтеза.

Рис. 1. Схема укладки исходных реагентов.

Состав продуктов синтеза контролировался методами рентгенофазового анализа с использованием дифрактометра Shimadzu XRD-6000 (CuK α излучение, Ni-фильтр). Анализ дифрактограмм проводился с помощью программы POWDER CELL [11]. Для исследования микростроструктуры использовался оптический микроскоп ЛОМО Полам Р-312.

Результаты и обсуждение

В ходе экспериментов установлено, что в процессе термообработки слоевой композиции Ti– SiC при температуре 1320 °С происходит инициирование реакции СВС, которая сопровождается саморазогревом образца, что наблюдается визуально. Рентгенофазовый анализ продуктов синтеза, как видно из рис. 2, обнаруживает присутствие Ti 3 SiC 2 , TiSi 2 и SiC в количествах 65 об.%, 14 об.% и 18 об.%, соответственно, а также следы TiC и Ti 5 Si 3 C x . Линейная усадка в направлении приложения нагрузки достигает 25–30 %, в то время как планарные размеры образца при термообработке практически не изменяются. Кажущаяся плотность полученного материала составляет 3.36 г/см³, что соответствует 80% от теоретического значения.

30         35         40         45         50

20°

Рис. 2. Дифрактограмма продуктов синтеза.

▼ - Ti3SiC2; о - TiSi2; □ - SiC.

Относительно высокая остаточная пористость, по-видимому, обусловлена тем, что приложенная при СВС-компактировании нагрузка оказалась недостаточной для эффективного уплотнения материала. Микроструктура синтезированного композита характеризуется равномерным распределением частиц SiC и изолированных пор в матрице Ti 3 SiC 2 –TiSi 2 . Фрагмент микроструктуры полученного образца представлен на рис. 3.

Поры

Матрица Ti3SiC2-TiSi2

Частицы SiC

Рис. 3. Микрофотография поперечного среза синтезированного керамического композита Ti 3 SiC 2 –TiSi 2 –SiC.

Основываясь на сопоставлении полученных результатов с известными литературными данными [12, 13], можно заключить, что механизм фазообра-зования в исследуемой слоевой системе Ti–SiC в целом не отличается от имеющего место в случае порошковых реакционных смесей элементов и бинарных соединений системы Ti–Si–C. При достижении температуры 1320 °С взаимодействие исходных реагентов, протекавшее до этого по диффузионному механизму, переключается в режим СВС. Стадия горения сопровождается образованием титан-кремний-углеродного расплава с последующей кристаллизацией Ti 3 SiC 2 и TiSi 2 при его остывании. Под действием приложенной механической нагрузки происходит уплотнение материала. При этом непрореагировавший SiC оказывается равномерно распределён в матрице Ti 3 SiC 2 –TiSi 2 . Согласно диаграмме фазовых равновесий системы Ti–Si–C [14], достигаемый состав продуктов близок к равновесному при температуре термообработки. В целом процесс может быть представлен брутто-рекцией:

• 3.5Ti + (2+ x )SiC = Ti 3 SiC 2 + 0.5TiSi 2 + x SiC.

Заключение

Таким образом, экспериментально обоснована принципиальная возможность использования силового СВС-компактирования слоевых непорошковых композиций Ti–SiC для получения керамических композитов с матрицей на основе Ti 3 SiC 2 .

Дальнейшее совершенствование предложенного метода предполагает оптимизацию его технологических параметров, включая поиск эффективных способов пакетирования и оптимальной конфигурации реакционных композиций, определение оптимальной величины механической нагрузки при СВС-компактировании, а также рационализацию температурно-временных режимов процесса.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 11-03-00529-a).