Самораспространяющийся высокотемпературный синтез керамических композитов на основе боридов, титана, циркония и хрома

Проведена работа по получению керамических композитов на основе тугоплавких боридов циркония, титана и хрома энергосберегающим способом, основанным на сочетании самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с процедурой прессования конечного продукта. Этим методом впервые получены керамические композиты, состоящие только из тугоплавких боридов. В экспериментах использованы исходные смеси, рассчитанные на образование керамического композита, (Ti,Cr)B₂-₊xCrB и ZrB₂₊ₓCrB. Методами рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии изучено влияние состава реакционной смеси на формирование микроструктуры композитов. Показано, что с увеличением содержания керамической связки (CrB) от 10 до 50 мас.% остаточная пористость композитов не превышает 1%, а размер частиц ZrB₂ уменьшается от 10 до 0,2 мкм. Изучено влияние функциональной добавки - наночастиц TiN - на формирование микроструктуры композита (Ti,Cr)B₂₋CrB. Показано, что при горении реакционной смеси, приготовленной в условиях высокоинтенсивного смешения, формируется пористый, а в условиях низкоинтенсивного смешения - плотный керамический композит. Это обусловлено увеличением количества дефектов в кристаллической структуре наночастиц TiN при высокоинтенсивной обработке, что приводит к испарению и разложению частиц TiN с образованием газообразного азота, который препятствует компактированию продукта СВС. Показано, что увеличение содержания наночастиц в смеси реагентов приводит к уменьшению среднего размера частиц в керамическом композите от 2,5 до 0,1 мкм. Установлено, что в ходе экзотермического взаимодействия циркония с бором не происходят разложение TiN и выделение газообразного азота. Это позволяет вводить в состав керамического композита заданное количество азота и целенаправленно модифицировать химический и фазовый составы композита. Показано, что в ходе экзотермического взаимодействия наночастицы TiN растворяются в цирконии с образованием твердых растворов (Zr,Ti)B₂ и (Zr,Ti)Nₓ. Показано, что введение в состав реакционной смеси 15 мас.% наночастиц TiN привело к уменьшению частиц ZrB₂ (менее 0,1 мкм). Определены физико-механические характеристики керамических композитов. Установлено, что при введении в исходную смесь 5 - 15 мас.% наночастиц TiN формируется СВС-композит с остаточной пористостью 1 - 3%, средним размером частиц твердого раствора (Ti,Cr)B₂ от 2,5 до 0,1 мкм, и твёрдостью по Виккерсу 2100 - 2250 кг/мм². Показано, что с ростом содержания керамической связки от 20 до 60 мас.% твердость керамического композита ZrB₂₊ₓCrB по Виккерсу уменьшается от 2800 до 2300 кг/мм². Предел прочности при изгибе составляет 380 - 400 МПа. Из композита ZrB₂₋₃₀CrB изготовлены неперетачиваемые режущие пластины, предназначенные для обработки высокотвердых материалов и закаленных сталей. Испытания режущих пластин показали их высокую износостойкость при обработке подшипниковой стали твердостью 64 HRC.