Спосіб виготовлення мах-матеріалу на основі потрійних карбідів титану і алюмінію

Реферат: Винахід належить до галузі порошкової металургії, а саме - способу виготовлення МАХматеріалів на основі потрійних карбідів титану і алюмінію. Спосіб полягає у двостадійному UA 109174 C2 (12) UA 109174 C2 синтезі суміші порошків потрійних карбідів порошків. На першій стадії матеріал синтезують з суміші порошків Ті, Аl, С, взятих у співвідношенні 3/1,2/2, в апараті високого тиску типу "ковадло із заглибленням" при квазігідростатичному тиску 1-2 ГПа, при температурі 1000-1300 °C, протягом 60-180 хвилин. На другій стадії одержаний матеріал поміщається у вакуумні печі, де відпалюється в атмосфері аргону при температурі 1200-1400 °C протягом 180-300 хвилин. Винахід забезпечує підвищення вмісту у щільному керамічному матеріалі Мах-фази Ті3АlС2 і, як наслідок, підвищення мікротвердості одержуваного керамічного матеріалу. UA 109174 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі порошкової металургії, а саме - до способу виготовлення МАХматеріалів на основі потрійних карбідів титану і алюмінію. Основною фазою матеріалу, що визначає його технічні характеристики, є так звана МАХ-фаза стехіометрії 312, що має формулу Ті3АlС2. Матеріали різного складу такої стехіометрії, що належать до класу МАХ-матеріалів, синтезуються при температурах понад 600 °C під тиском 0,1-100 МПа (Барсум і ін., патент США US6013322, опубл. 11.01.2000). Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого способу виготовлення є синтез методом гарячого пресування із суміші порошків ТіСх і Аl при температурі 1000-1500 °C під тиском 20-50 МПа, протягом 5-600 хв. (патент WO2009072834 А2, дата пріоритету 7.12.2007). Недоліком такого способу є те, що одержаний матеріал містить до 10 мас.% фази Ті2АlС і до 70 мас.% ТіС. В основу винаходу поставлена задача синтезу високощільного керамічного матеріалу з густиною, близькою до теоретичної, при одночасному одержанні високого відсотку МАХ-фази складу Ті3АlС2 у синтезованому керамічному матеріалі. Означена задача вирішується шляхом використання двостадійного синтезу. На першій стадії матеріал синтезують з суміші порошків Ті, Аl, С, взятих у співвідношенні 3/1,2/2, в апараті високого тиску типу "ковадло із заглибленням" при квазігідростатичному тиску 1-2 ГПа, при температурі 1000-1300 °C, протягом 60-180 хвилин. На другій стадії одержаний матеріал поміщається у вакуумні печі, де відпалюється в середовищі аргону при температурі 12001400 °C протягом 180-300 хвилин. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при його реалізації, полягає у наступному: на першому етапі синтезу відбувається формування щільної структури, на другій відбувається формування фази Ті3АlС2. На першому етапі титан взаємодіє з алюмінієм і вуглецем, утворюючи подвійні алюмінати і карбід титану. Ці сполуки вступають в реакцію між собою з утворенням потрійних карбідів - так званих фаз 211 і 311. На другій стадії фази 211 і 311 вступають в реакцію з надлишком карбіду титану і вуглецю, утворюючи фазу 312. Одержання матеріалу в одну стадію є неможливим, оскільки утворення Ті3АlС2 в умовах високого тиску (що необхідно для одержання щільної структури) потребує вищих температур. Заявлені параметри синтезу і подальшого відпалу є оптимальними для одержання даного матеріалу. При менших температурах гомогенізуючого відпалу в матеріалі утворюється надлишок оксиду титану, при більших - відбувається термічний розклад синтезованої МАХ-фази. Щодо впливу високого тиску, було встановлено, що збільшення тиску синтезу від 0,5 до 2 ГПа призводить до збільшення мікротвердості зразків від 2 до 4-5 ГПа. Приклади конкретної реалізації винаходу. Приклад 1. Порошки Ті, Аl, С у співвідношенні 3/1,2/2 поміщають в планетарний активатор і змішують протягом 3 хв. Одержану суміш формують у вигляді циліндрів діаметром 9 мм і висотою 7 мм і поміщають у апарат високого тиску типу "ковадла із заглибленням", ізолюючи їх від контакту з апаратом і зовнішнім середовищем за допомогою формованого порошку гексагонального нітриду бору. Апарат високого тиску розміщують між пуансонами преса і створюють квазігідростатичний тиск 2 ГПа (±10 %). Після прикладення високого тиску, через апарат пропускають електричний струм, нагріваючи його до температури 1200 °C. Синтез продовжується 60 хв., враховуючи 5 хв. нагрівання до виходу на режим. Після завершення першої стадії зразок поміщають у вакуумну піч, що заповнюють аргоном. В печі створюють температуру 1350 °C, що підтримують протягом 180 хв. Одержаний матеріал містить 47 мас.% фази Ті3АlС2, а також 52 мас.% ТіС і сліди Аl2О3. Мікротвердість матеріалу за Віккерсом при навантажені 500 г становить 1,9 ГПа. Приклад 2. Матеріал одержують аналогічно описаному в Прикладі 1, за виключенням того, що синтез проводять 180 хв., а гомогенізуючий відпал - 300 хв. Одержаний матеріал містить 77 мас.% фази Ті3АlС2, а також 16 мас.% ТіС і 7 мас.% Аl2О3. Мікротвердість матеріалу за Віккерсом при навантажені 500 г становить 1,3 ГПа. Приклад 3. Кількість фази Ті3АlС2, що утворюється на другому етапі двостадійного синтезу, залежить від кількості потрійних карбідів, що утворюються на першому етапі. Порівняльний фазовий аналіз зразків, синтезованих в умовах високих тисків і температур (перша стадія синтезу), наведено в таблиці. Як видно з таблиці, оптимальними умовами синтезу є тиск 1-2 ГПа, температура 1200 °C і час синтезу 60 хв. Зменшення температури до 1000 °C 1 UA 109174 C2 призводить до значного зменшення кількості потрійних карбідів. Використання температур менших за 1000 °C є неможливим. Збільшення часу синтезу також призводить до поступового зменшення кількості потрійних карбідів. Таблиця Порівняльний фазовий склад зразків, синтезованих в умовах високих тисків і температур (перша стадія синтезу) Режим синтезу TS, °C 1200 1200 1000 1200 τ, хв. 60 60 60 180 p, ГПа 2 1 2 2 Мікротвердість, ГПа Фазовий склад, мас.% Ті2АlС 18 21 2 10 Ті3АlС 12 15 4 7 Ті3Аl 51 38 80 56 ТіАl 15 9 С 4 7 3 1,5 ТіС 15 19 7 11 4,2 4,9 4,3 4,0 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Спосіб виготовлення матеріалу на основі потрійних карбідів з суміші порошків Ті, Аl, С, взятих у співвідношенні 3/1,2/2, в умовах високих квазігідростатичних тисків і температур, який відрізняється тим, що синтез вказаної суміші порошків проводиться в дві стадії: перша стадія полягає в синтезі матеріалу під тиском 1-2 ГПа, при температурі 1000-1300 °C, протягом 60-180 хвилин, а друга стадія - гомогенізуючий відпал в середовищі аргону при атмосферному тиску і температурі 1200-1400 °C протягом 180-300 хвилин. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2