Самораспространяющийся высокотемпературный синтез оксидных титановых бронз щелочных металлов и материалов на их основе с использованием механоактивации

Работа посвящена изучению влияния предварительной механической активации исходной шихты на макрокинетику СВС оксидных титановых бронз щелочных металлов, в частности на температуру и скорость фронта волны горения, температуру воспламенения, и изучение возможности практического применения полученных материалов в качестве защитных покрытий стальных изделий. Автором выполнен большой объем экспериментальных исследований, в результате которых определено влияние механической активации (МА) на состав и структуру исходной шихты. На ранних временах измельчения образуются нестабильные твердые растворы внедрения - Li0,07TiO2 (4 часа МА; 29,4 масс. %); продолжительная активация приводит к механохимическому синтезу с образованием устойчивых фаз внедрения с высоким содержанием внедренных атомов, в частности Li0,5TiO2 (12 часов МА; 76,9 масс. %). Для остальных изученных систем получены фаза Na0,33ТiO2 (18 часов МА, 71,3 масс. %); K0,12ТiO2 (24 часа МА; 74,4 масс. %); Rb0,12ТiO2 (24 часа МА; 70,5 масс. %). Расчеты рентгенограмм, выполненные по методу Ритвельда, показали, что с увеличением продолжительности МА уменьшаются размеры областей когерентного рассеяния (ОКР), для Li0,5TiO2, полученного после 12-часовой МА, размер ОКР составил 17 нм. Исследованы макрокинетические параметры СВС (температура и скорость фронта волны горения): LiхTiO2 (0,07≤х≤0,8) (1574 К, 5755 мкм/с), NaхTiO2 (0,2≤х≤0,5) (1701 К, 5783 мкм/с), KхTiO2 (0,06≤х≤0,13) (1839 К, 4828 мкм/с), RbхTiO2 (0,06≤х≤0,13) (1824 К, 4983 мкм/с). Определены температуры самовоспламенения неактивированных шихт: 1155 К (Li-Ti), 1320 К (Na-Ti), 1455 К (K-Ti), 1495 К (Rb-Ti). Наблюдается закономерное увеличение температуры воспламенения шихты по группе щелочных металлов от Li к Rb. МА шихты приводит к снижению температуры воспламенения и температуры фронта волны горения на ~ 200 К, при этом скорость движения фронта увеличивается в 2 раза, что связано с образованием продуктов взаимодействия, играющих роль центров гетерогенной кристаллизации, уже на этапе механоактивации. После МА изменяется механизм транспорта реагентов - случае СВС имеет место газотранспортный механизм и коалесценция расплава, а в случае МА СВС транспорт реагентов осуществляется путем растекания пленок расплава. После МА СВС протекает с большей степенью превращения и с большим содержанием основного продукта. Так, в литиевой системе без МА получена оксидная бронза Li0,8TiO2 32,1 масс. %, после МА содержание этой фазы увеличилось до 83,5 масс. %. В натриевой системе без МА получена фаза Na0,23TiO2 (46,2 масс. %), после МА получен продукт с большей атомной долей натрия, а именно Na0,33TiO2 (82,3 масс. %). В калиевой и рубидиевой системах без МА получены фазы K0,12TiO2 (65,2 масс. %), RbхTiO2 (64,9 масс. %), после МА содержание этих фаз увеличилось до 93,3 масс. %. Установлено, что МА исходной шихты позволяет получать более чистые продукты СВС за счет уменьшения количества экзотермической добавки в 4 раза по сравнению с методикой СВС без МА при снижении содержания основной фаза на 5 масс. %. Экспериментально подобраны оптимальные параметры механохимического синтеза оксидной бронзы состава Li0,5TiO2 в режиме низкоэнергетического помола: диаметр мелющих тел 1,0 см; степень заполнения барабана 30%; продолжительность помола 12 ч. Разработано защитное покрытие стали от коррозии и износа на основе калий-титановой оксидной бронзы, полученной методом СВС. Определены физико-химические и механические свойства защитного покрытия. Срок службы покрытия составляет 18,5 лет, являющийся среднестатистическим для защитных покрытий.