Разработка физико-химических и технологических основ создания новых легких алюмокерамических каркасных композиционных материалов на основе тугоплавких соединений титана, полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом

Экспериментально исследовано применение процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения легких высокопрочных алюмокерамических каркасных композиционных материалов. Пористые керамические каркасы создавали методом СВС из МАХ-фаз в системах Ti - Al - C, Ti - Si - C, Ti - Al - B и пропитывали жидким алюминием. При исследовании закономерностей фазообразования МАХ-фаз в системах Ti - С - Al и Ti - C - Si показано, что максимальное количество фазы Ti₃AlC₂ образуется при сжигании исходной смеси порошков 3Ti + 2Al + 2C, а максимальное количество фазы Ti₃SiC2₂ - смеси 3Ti + Si + 2C c избытком кремния 15% (по массе) при использовании в обоих случаях в качестве газифицирующей добавки гидрида титана TiH₂. Применение углеродсодержащих газифицирующих добавок подавляет процесс образования МАХ-фаз. Что касается системы Ti - Al - В, то достоверных сведений о возможности образования МАХ-фазы в этой системе нет. Исследована возможность образования борсодержащей МАХ-фазы Ti₃AlC₂ при частичной замене углерода на бор в исходной порошковой смеси. Результаты рентгенофазового анализа и электронно-микроскопического исследования дают основание считать, что проведение процесса СВС МАХ-фазы Ti₃AlC₂ при частичной замене (до 50%) атомов углерода атомами бора в шихте 3Ti + 2Al + 2C позволяет получать модифицированную борсодержащую МАХ-фазу с увеличенными межплоскостными расстояниями кристаллической решетки фазы Ti₃AlC₂. Одновременно при этом синтезируются заметное количество модифицированной борсодержащей фазы TiC также с увеличенной элементарной ячейкой и небольшое количество боридов титана. Если в шихте более половины атомов углерода заменяется на атомы бора, то МАХ-фаза не образуется, а основными синтезируемыми фазами становятся моно-, диборид и алюминид титана. Целевой композиционный алюмокерамический материал в случаях систем Ti - C - Al и Ti - C - Si получали путем совмещения процесса синтеза МАХ-фазы пористого керамического каркаса в режиме горения, расплавления выделяющимся теплом алюминиевых брикетов и пропитки под давлением расплавом алюминия пористого каркаса (метод СВС-прессования). Изучено влияние давления пропитки на закономерности формирования состава и свойств алюмокерамических каркасных композитов. Показано, что СВС-прессованные каркасные алюмокомпозиты по уровню твердости превосходят промышленный прессованный высокопрочный сплав В95 и соответствует самому прочному алюминиевую сплаву В96Ц. Для системы Ti - Al - C - B исследована возможность получения алюмоматричного композита по другому технологическому варианту – путем пропитки керамического СВС-каркаса расплавом алюминия при атмосферном давлении, то есть за счет не повышенного давления, а термокапиллярного эффекта. Для этого изучено взаимодействие горячего каркаса непосредственно после его синтеза в режиме горения с полученным заранее расплавом алюминия с температурой 900°С. Получение композита проведено путем синтеза каркаса непосредственно в расплаве алюминия или вне расплава с последующим погружением в расплав. Полученный материал включает отдельные пакеты пластин, характерные для МАХ-фазы, и округлые частицы, характерные для карбида титана. Сравнение микроструктур образцов позволяет сделать вывод о том, что введение бора в состав снижает количество МАХ-фазы, но повышает равномерность распределения алюминия по сечению полученного композита. Замена до 25% атомов углерода на атомы бора приводит к снижению твердости получаемого композита, а при 75% замены наблюдается резкое повышение твердости.