Inorganic MaterialsInorganic MaterialsНеорганические материалы0002-337X3034-5588The Russian Academy of Sciences69225710.7868/S3034558825040148ArticlesСтатьиResearch ArticleСинтез компактного карбонитрида титана окислительным конструированиемСинтез компактного карбонитрида титана окислительным конструированиемKochanovG. P.КочановГ. П.LvovL. O.ЛьвовЛ. О.RogovaA. N.РоговаА. Н.ShevtsovS. V.ШевцовС. В.FedorovS. V.ФедоровС. В.KovalевI. A.КовалевИ. А.vankovalskij@mail.ruChernyavskiyA. S.ЧернявскийА. С.SolntsevK. A.СолнцевК. А.Institute of Metallurgy and Materials Science named after A. A. Baikov of the Russian Academy of SciencesИнститут металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук15082025617-8VOL 61, NO7–8 (2025)ТОМ 61, №7-8 (2025)50050707102025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://rjsvd.com/0002-337X/article/view/692257

Карбидизацией твердого раствора азота в титане, покрытого оксидом титана, синтезирован компактный карбонитрид титана заданной формы. Синтез протекает в два этапа: на первом этапе при температуре 1350°C металлическую заготовку в атмосфере аргона, содержащего “нулевый воздух”, насыщали азотом до состава TiN0.3 с одновременным формированием на его поверхности пленки TiO2. На второй стадии при 2200°C в атмосфере аргона, содержащего этилен, проводили карбидизацию твердого раствора азота в титане. Керамика представляет собой композит из карбонитридов титана разного состава. Поверхностный слой карбонитрида толщиной ~5 мкм характеризуется повышенным содержанием углерода, карбонитрид в объеме – азота. На границах зерен присутствуют следы МAX-фазы Ti2AlN и фазы Ti3AlCN, которые образуются при 2200°C в результате взаимодействия интерметаллида Ti3Al с азотом и углеродом. Оценена микротвердость полученных фаз в керамике.

Карбидизацией твердого раствора азота в титане, покрытого оксидом титана, синтезирован компактный карбонитрид титана заданной формы. Синтез протекает в два этапа: на первом этапе при температуре 1350°C металлическую заготовку в атмосфере аргона, содержащего “нулевый воздух”, насыщали азотом до состава TiN0.3 с одновременным формированием на его поверхности пленки TiO2. На второй стадии при 2200°C в атмосфере аргона, содержащего этилен, проводили карбидизацию твердого раствора азота в титане. Керамика представляет собой композит из карбонитридов титана разного состава. Поверхностный слой карбонитрида толщиной ~5 мкм характеризуется повышенным содержанием углерода, карбонитрид в объеме – азота. На границах зерен присутствуют следы МAX-фазы Ti2AlN и фазы Ti3AlCN, которые образуются при 2200°C в результате взаимодействия интерметаллида Ti3Al с азотом и углеродом. Оценена микротвердость полученных фаз в керамике.

керамикакарбонитрид титананитридизациякарбидизацияинтерметаллидокислительное конструированиеИсследование выполнено при поддержке государственного задания № 075-00320-24-00 (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук).Bellosi A., Calzavarini R., Faga M.G., Monteverde F., Zancolò C., D’Errico G.E. Characterisation and Application of Titanium Carbonitride-Based Cutting Tools // J. Mater. Process. Technol. 2003. V. 143–144. P. 527–532. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00339-XClark E.B., Roebuck B. Extending the Application Areas for Titanium Carbonitride Cermets // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1992. V. 11. № 1. P. 22–23. https://doi.org/10.1016/0263-4368(92)90081-CAjikumar P.K., Kamruddin M., Kalavathi S., Balamurugan A.K., Kataria S., Shankar P., Tyagi A.K. Synthesis, Characterization and Evaluation of Titanium Carbonitride Surface Layers with Varying Concentrations of Carbon and Nitrogen // Ceram. Int. 2012. V. 38. № 3. P. 2253–2259. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.10.075Wei C., Lin J.F., Jiang T.-H., Ai A.-F. Tribological Characteristics of Titanium Nitride and Titanium Carbonitride Multilayer Films: Part I. The Effect of Coating Sequence on Material and Mechanical Properties // Thin Solid Films. 2001. V. 381. № 1. P. 94–103. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)01540-6Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справочник. 2-е изд. М.: Металлургия, 1976. 560 с.Qin Y., Xiong D., Li J., Tyagi R. Corrosion and Bio-Tribological Properties of Ti(CN)x Hard Coating on Titanium Alloy by the Pulsed Plasma Electrolytic Carbonitriding Process // Tribology Int. 2015. V. 82. Pt. B. P. 543–550. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.07.023Zhang H., Yan J., Zhang X., Tang S. Properties of Titanium Carbonitride Matrix Cermets // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2006. V. 24. № 3. P. 236–239. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2005.05.009Matsuda T., Matsubara H. Synthesis of Titanium Carbonitride Nano-Powder by Carbothermal Reduction of TiO2 // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. V. 42. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2013.10.002Bonetti R.S., Wiprachtiger H., Mohn E. CVD of Titanium Ccarbonitride at Moderate Temperature: Properties and Applications // Metal Powder Report. 1990. V.45. № 12. P. 837–840. https://doi.org/10.1016/0026-0657(90)90575-2Kang X., He Y., Lin N., Zhang M., Yan Y., Huang J. A Study of the Preparation and Properties of Dense Binderless Titanium Carbonitride-Based Ceramics // J. Alloys Compd. 2020. V. 843. P. 155941. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155941Kenzhegulov A., Mamaeva A., Panichkin A., Alibekov Z., Kshibekova B., Bakhytuly N., Wieleba W. Comparative Study of Tribological and Corrosion Characteristics of TiCN, TiCrCN, and TiZrCN Coatings // Coatings. 2022. V. 12. P. 564. https://doi.org/10.3390/coatings12050564Zhu L., He J., Yan D., Xiao L., Dong Ya., Zhang J., Liao H. Synthesis and Microstructure Observation of Titanium Carbonitride Nanostructured Coatings Using Reactive Plasma Spraying in Atmosphere // Appl. Surf. Sci. 2011. V. 257. № 20. P. 8722–8727. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.05.056Солнцев К.А., Шусторович Е.М., Буслаев Ю.А. Окислительное конструирование тонкостенной керамики // Докл. Академии наук. 2001. Т. 378. № 4. С. 492–499.Кузнецов К.Б., Стецовский А.П., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Получение монолитного нитрида титана // Перспект. материалы. 2008. № 1. С. 56–59.Кочанов Г.П., Ковалев И.А., Рогова А.Н., Костиков И.А., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Способ получения ультравысокотемпературной керамики заданной формы на основе карбидов переходных металлов подгруппы титана прямой карбидизацией металла: Патент RU2826631 С1 Бюл. № 26. (Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН). от 16.09.2024 г.Кочанов Г.П., Костиков И.А., Ковалев И.А., Канныкин С.В., Шевцов С.В., Коновалов А.А., Осипов П.А., Костюченко А.В., Климаев С.Н., Стрельникова С.С., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Синтез тугоплавкой керамики на основе карбида циркония прямой карбидизацией циркония // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 2. С. 202–207. https://doi.org/10.31857/S0002337X23020094Powder Diffraction File. Alphabetical Index Inorganic Compounds. Pensilvania: ICPDS. – 1997.Солнцев К.А., Шашкеев К.А., Стецовский А.П. Механизм окисления титана на экспоненциальной стадии процесса окислительного конструирования тонкостенной керамики // Докл. Академии наук. 2008. T. 422. № 5. C. 267–270.Зуфман В.Ю., Шокодько А.В., Ковалев И.А., Ашмарин А.А., Огарков А.И., Овсянников Н.А., Климов А.А., Климаев С.Н., Кочанов Г.П., Шокодько Е.А., Чесноков А.А., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Исследование газонасыщения титана и особенности формирования керамического слоя в рамках подхода окислительного конструирования // Перспектив. материалы. 2019. № 5. С. 61–69. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2019-5-61-69Bai Cui, Rafael Sa, Daniel D. Jayaseelan, Fawad Inam, Michael J. Reece, William Edward Lee. Microstructural Evolution During High-Temperature Oxidation of Spark Plasma Sintered Ti2AlN Ceramics // Acta Mater. 2012. V. 60 (3). P. 1079–1092. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.11.010Kovalev D.Y., Luginina M.A., Sytschev A.E. Reaction Synthesis of the Ti2AlN MAX- Phase // Russ. J. Non-Ferrous Met. 2017. V. 58 (3). Р. 303–307. https://doi.org/10.3103/S1067821217030087Verger L., Xu Ch., Natu V., Cheng H-M., Ren W., Baroum M.W. Overview of the Synthesis of MXenes and Other Ultrathin 2D Transition Metal Carbides and Nitrides // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2019. V. 23. № 3. P. 149–163. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2019.02.001Chen N., Huang H., Xu Z., Xie Ya., Xiong D., Chu X., Gu B., Zheng B., Deng W., Zhang H., Yang W. From High-Yield Ti3AlCN Ceramics to High-Quality Ti3CNTx MXenes Through Eliminating Al Segregation // Chin. Chem. Lett. 2020. V. 31. № 4. P. 1044–1048. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2019.10.004Климов А.К., Климов Д.А., Низовцев В.Е., Ухов П.А. Эффективность применения наноструктурных композиционных материалов и изделий из них в авиационной промышленности // Электронный журнал “Труды МАИ”. 2013. № 67.Шевцов С.В., Ковалев И.А., Огарков А.И., Канныкин С.В., Просвирнин Д.В., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Структура и твердость керамики, синтезируемой в процессе высокотемпературной нитридизации титановой фольги // Неорган. материалы. 2018. T. 54. № 3. C. 311–316. https://doi.org/10.7868/S0002337X18030144Feng W., Yan D., He J., Zhang G., Chen G., Gu W., Yang S. Microhardness and Toughness of the Tin Coating Prepared by Reactive Plasma Spraying // Appl. Surf. Sci. 2005. V. 243. № 1–4. P. 204–213 https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.09.064Пячин С.А., Бурков А.А., Мокрицкий Б.Я., Власова Н.М. Характеристики электроискровых Ti3Al покрытий в зависимости от концентрации добавки B4C и температуры отжига // Уч. записки КнАГТУ. 2019. Т. 1. № 1 (37). C. 84–90.