Frontier Materials & Technologies. 2023; : 99-108
Структура и микромеханические свойства СВС-композитов с медной матрицей: особенности формирования
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-4-66-9Аннотация
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является одним из перспективных способов получения прочных и износостойких композитов. Особый интерес представляет использование меди в качестве матрицы из-за уникального сочетания электро- и теплопроводности. Монолитные СВС-композиты системы Cu–Ti–C–B и Cu–Ti–C в настоящее время мало изучены. Сведения о фазовом составе таких композитов весьма противоречивы, а данные по микромеханическим свойствам практически отсутствуют. В работе представлены результаты сравнительного анализа структуры и микромеханических свойств композитов систем Cu–Ti–C и Cu–Ti–C–B. Установлено, что матрицей обоих композитов является пересыщенный титаном твердый раствор на основе меди, в котором при охлаждении выделяются наноразмерные частицы интерметаллида Cu4Ti. Упрочняющими фазами, образующимися в результате СВС, являются частицы TiC (композит Cu–Ti–C) и частицы TiC и TiB2 (композит Cu–Ti–C–B). В композите Cu–Ti–C–B сохранились исходные частицы непрореагировавшего карбида бора В4C, микротвердость которых составила 3680 HV 0,1. Наиболее пластичной структурной составляющей является механическая смесь Cu+Cu4Ti в композите системы Cu–Ti–B, за счет которой возможна последующая пластическая деформация с целью получения деталей заданной формы. При исследовании микромеханических свойств максимальные показатели прочности HIT, HV, Wе, Re, HIT/E* были зафиксированы в композите системы Cu–Ti–C–B, что позволяет ожидать высокую износостойкость изделий из него.
Список литературы
1. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: МИСиС, 2011. 378 с.
2. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горения для синтеза материалов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 400 с.
3. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007. 567 с.
4. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия. Современные проблемы. М.: Химия, 1983. С. 6–44.
5. Латухин Е.И., Умеров Э.Р., Луц А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез заготовок пористого карбида титана для последующей инфильтрации расплавами // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. Т. 19. № 7. С. 322–330. DOI: 10.36652/1684-1107-2021-19-7-322-330.
6. Коростелева Е.Н., Коржова В.В. Структура и фазовый состав металломатричных композитов (TiB) – Ti, полученных в процессе СВС и вакуумного спекания // Известия вузов. Физика. 2020. Т. 63. № 7. С. 81–87. DOI: 10.17223/00213411/63/7/81.
7. Ситников А.А., Собачкин А.В., Марков А.М. Особенности формирования различных функциональных покрытий из СВС-механокомпозитов с помощью технологии газодетонационного напыления // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 2. С. 22–28. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-2020-2-22-28.
8. Федотов А.Ф., Амосов А.П., Радченко В.П. Моделирование процесса прессования порошковых материалов в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Машиностроение-1, 2005. 281 c.
9. Ковалев Д.Ю., Болоцкая А.В., Михеев М.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti–B–Fe с добавкой AlN // Неорганические материалы. 2022. Т. 58. № 9. С. 956–964. EDN: TJQGMZ.
10. Криволуцкий К.С., Амосов А.П., Самборук А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез ультрадисперсных и наноразмерных порошков композиций TiC–SiC и TiC–NbC // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2016. № 3. С. 136–143. EDN: XVSVKB.
11. Щукин А.С., Сычёв А.Е. Особенности строения переходной зоны NiAl/Mo, сформированной в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Физика металлов и металловедения. 2019. Т. 120. № 9. С. 925–930. DOI: 10.1134/S0015323019090134.
12. Лазарев П.А., Бусурина М.Л., Грядунов А.Н., Сычев А.Е., Боярченко О.Д., Карпов А.В. Особенности структуры и фазообразования сплава на основе Ti–Al–Si, полученного методом СВС-компактирования // Неорганические материалы. 2022. Т. 58. № 9. С. 1039–1044. EDN: XTLFSK.
13. Лазарев П.А., Бусурина М.Л., Сычёв А.Е. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti–Al–Mn // Физика горения и взрыва. 2023. Т. 59. № 1. С. 85–91. DOI: 10.15372/FGV20230109.
14. Volkov A.Y., Patrakov E.I., Volkova E.G., Komkova D.A., Kalonov A.A., Glukhov A.V., Antonov B.D. Abnormally high strength and low electrical resistivity of the deformed Cu/Mg-composite with a big number of Mg-filaments // Materials & Design. 2020. Vol. 185. Article number 108276. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108276.
15. Kim Ji Soon, Dudina D.V., Kim Jin Chun, Kwon Soon Young, Park Jin Ju, Rhee Chang Kyu. Properties of Cu-based nanocomposites produced by mechanically – activated self – propagating high – temperature synthesis and spark – plasma sintering // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2010. Vol. 10. № 1. P. 252–257. DOI: 10.1166/jnn.2010.1523.
16. Oanh Nguyen Thi Hoang, Viet Nguyen-Hoang, Kim Ji Soon, Dudina D.V. Structural Investigation of TiC–Cu Nanocomposites Prepared by Ball Milling and Spark Plasma Sintering // Metals. 2017. Vol. 7. № 4. Article number 123. DOI: 10.3390/met7040123.
17. Volkov A.Yu., Kalonov A.A., Komkova D.A. Effect of annealing on the structure, mechanical and electrical properties of Cu/Mg-composite wires // Materials Characterization. 2022. Vol. 183. Article number 111606. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111606.
18. Цикарев В.Г., Филиппенков А.А., Филиппов М.А., Алабушев А.В., Шарапова В.А. Опыт получения композиционных материалов системы Ti–Cu–C СВС-процессом // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021. Т. 15. № 4. С. 4–11. DOI: 10.17073/1997-308X-2021-4-11.
19. Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Сенаева Е.И. Структура и свойства СВС-композита системы Cu–Ti–C–B // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. № 1. С. 47–54. DOI: 10.31857/S0015323022010107.
20. Pugacheva N., Kryuchkov D., Bykova T., Vichuzhanin D. Studying the Plastic Deformation of Cu–Ti–C–B Composites in a Favorable Stress State // Materials. 2023. Vol. 16. № 8. Article number 320. DOI: 10.3390/ma16083204.
21. Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сенаева Е.И., Горулёва Л.С. Теплофизические свойства СВС композитов Cu–Ti–C–B // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2023. № 3. С. 50–65. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.050-065.
22. Николин Б.В., Матевосян М.Б., Кочугов С.П., Пугачева Н.Б. Способ изготовления многослойной износостойкой пластины: патент РФ на изобретение № 2680489, 2019. 11 с.
Frontier Materials & Technologies. 2023; : 99-108
Structure and micromechanical properties of SHS composites with a copper matrix: peculiarities of formation
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-4-66-9Abstract
Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is one of the promising methods for producing strong and wear-resistant composites. The use of copper as a matrix due to the unique combination of electrical and thermal conductivity is of particular interest. Monolithic SHS composites of the Cu–Ti–C–B and Cu–Ti–C systems are currently little studied. The information on the phase composition of such composites is contradictory, and data on micromechanical properties is practically absent. The paper presents the results of a comparative analysis of the structure and micromechanical properties of composites of the Cu–Ti–C and Cu–Ti–C–B systems. It is found that the matrix of both composites is a copper-based solid solution supersaturated with titanium, in which nanosized Cu4Ti intermetallic compound particles precipitate upon cooling. TiC particles (Cu–Ti–C composite) and TiC and TiB2 particles (Cu–Ti–C–B composite) are the strengthening phases resulting from SHS. In the Cu–Ti–C–B composite, the original particles of unreacted B4C boron carbide were preserved, the microhardness of which was 3680 HV 0.1. The most ductile structural constituent in the Cu–Ti–B system composite is the Cu+Cu4Ti mechanical mixture, due to which further plastic deformation is possible to obtain parts of a given shape. During the study of micromechanical properties, the maximum strength indicators of HIT, HV, We, Re, HIT/E* were recorded in the Cu–Ti–C–B system composite, which allows expecting high wear resistance of products made of it.
References
1. Levashov E.A., Rogachev A.S., Kurbatkina V.V., Maksimov Yu.M., Yukhvid V.I. Perspektivnye materialy i tekhnologii samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza. M.: MISiS, 2011. 378 s.
2. Rogachev A.S., Mukas'yan A.S. Goreniya dlya sinteza materialov. M.: FIZMATLIT, 2012. 400 s.
3. Amosov A.P., Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G. Poroshkovaya tekhnologiya samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza materialov. M.: Mashinostroenie-1, 2007. 567 s.
4. Merzhanov A.G. Samorasprostranyayushchiisya vysokotemperaturnyi sintez // Fizicheskaya khimiya. Sovremennye problemy. M.: Khimiya, 1983. S. 6–44.
5. Latukhin E.I., Umerov E.R., Luts A.R. Samorasprostranyayushchiisya vysokotemperaturnyi sintez zagotovok poristogo karbida titana dlya posleduyushchei infil'tratsii rasplavami // Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii. 2021. T. 19. № 7. S. 322–330. DOI: 10.36652/1684-1107-2021-19-7-322-330.
6. Korosteleva E.N., Korzhova V.V. Struktura i fazovyi sostav metallomatrichnykh kompozitov (TiB) – Ti, poluchennykh v protsesse SVS i vakuumnogo spekaniya // Izvestiya vuzov. Fizika. 2020. T. 63. № 7. S. 81–87. DOI: 10.17223/00213411/63/7/81.
7. Sitnikov A.A., Sobachkin A.V., Markov A.M. Osobennosti formirovaniya razlichnykh funktsional'nykh pokrytii iz SVS-mekhanokompozitov s pomoshch'yu tekhnologii gazodetonatsionnogo napyleniya // Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2020. № 2. S. 22–28. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-2020-2-22-28.
8. Fedotov A.F., Amosov A.P., Radchenko V.P. Modelirovanie protsessa pressovaniya poroshkovykh materialov v usloviyakh samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza. M.: Mashinostroenie-1, 2005. 281 c.
9. Kovalev D.Yu., Bolotskaya A.V., Mikheev M.V. Samorasprostranyayushchiisya vysokotemperaturnyi sintez v sisteme Ti–B–Fe s dobavkoi AlN // Neorganicheskie materialy. 2022. T. 58. № 9. S. 956–964. EDN: TJQGMZ.
10. Krivolutskii K.S., Amosov A.P., Samboruk A.R. Samorasprostranyayushchiisya vysokotemperaturnyi sintez ul'tradispersnykh i nanorazmernykh poroshkov kompozitsii TiC–SiC i TiC–NbC // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki. 2016. № 3. S. 136–143. EDN: XVSVKB.
11. Shchukin A.S., Sychev A.E. Osobennosti stroeniya perekhodnoi zony NiAl/Mo, sformirovannoi v protsesse samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza // Fizika metallov i metallovedeniya. 2019. T. 120. № 9. S. 925–930. DOI: 10.1134/S0015323019090134.
12. Lazarev P.A., Busurina M.L., Gryadunov A.N., Sychev A.E., Boyarchenko O.D., Karpov A.V. Osobennosti struktury i fazoobrazovaniya splava na osnove Ti–Al–Si, poluchennogo metodom SVS-kompaktirovaniya // Neorganicheskie materialy. 2022. T. 58. № 9. S. 1039–1044. EDN: XTLFSK.
13. Lazarev P.A., Busurina M.L., Sychev A.E. Samorasprostranyayushchiisya vysokotemperaturnyi sintez v sisteme Ti–Al–Mn // Fizika goreniya i vzryva. 2023. T. 59. № 1. S. 85–91. DOI: 10.15372/FGV20230109.
14. Volkov A.Y., Patrakov E.I., Volkova E.G., Komkova D.A., Kalonov A.A., Glukhov A.V., Antonov B.D. Abnormally high strength and low electrical resistivity of the deformed Cu/Mg-composite with a big number of Mg-filaments // Materials & Design. 2020. Vol. 185. Article number 108276. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108276.
15. Kim Ji Soon, Dudina D.V., Kim Jin Chun, Kwon Soon Young, Park Jin Ju, Rhee Chang Kyu. Properties of Cu-based nanocomposites produced by mechanically – activated self – propagating high – temperature synthesis and spark – plasma sintering // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2010. Vol. 10. № 1. P. 252–257. DOI: 10.1166/jnn.2010.1523.
16. Oanh Nguyen Thi Hoang, Viet Nguyen-Hoang, Kim Ji Soon, Dudina D.V. Structural Investigation of TiC–Cu Nanocomposites Prepared by Ball Milling and Spark Plasma Sintering // Metals. 2017. Vol. 7. № 4. Article number 123. DOI: 10.3390/met7040123.
17. Volkov A.Yu., Kalonov A.A., Komkova D.A. Effect of annealing on the structure, mechanical and electrical properties of Cu/Mg-composite wires // Materials Characterization. 2022. Vol. 183. Article number 111606. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111606.
18. Tsikarev V.G., Filippenkov A.A., Filippov M.A., Alabushev A.V., Sharapova V.A. Opyt polucheniya kompozitsionnykh materialov sistemy Ti–Cu–C SVS-protsessom // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional'nye pokrytiya. 2021. T. 15. № 4. S. 4–11. DOI: 10.17073/1997-308X-2021-4-11.
19. Pugacheva N.B., Nikolin Yu.V., Bykova T.M., Senaeva E.I. Struktura i svoistva SVS-kompozita sistemy Cu–Ti–C–B // Fizika metallov i metallovedenie. 2022. T. 123. № 1. S. 47–54. DOI: 10.31857/S0015323022010107.
20. Pugacheva N., Kryuchkov D., Bykova T., Vichuzhanin D. Studying the Plastic Deformation of Cu–Ti–C–B Composites in a Favorable Stress State // Materials. 2023. Vol. 16. № 8. Article number 320. DOI: 10.3390/ma16083204.
21. Pugacheva N.B., Bykova T.M., Senaeva E.I., Goruleva L.S. Teplofizicheskie svoistva SVS kompozitov Cu–Ti–C–B // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2023. № 3. S. 50–65. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.050-065.
22. Nikolin B.V., Matevosyan M.B., Kochugov S.P., Pugacheva N.B. Sposob izgotovleniya mnogosloinoi iznosostoikoi plastiny: patent RF na izobretenie № 2680489, 2019. 11 s.
