Закономерности синтеза карбонитрида титана из гранулированной шихты в бомбе постоянного давления и в проточном реакторе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Получение карбонитрида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в течение десятилетий выполнялось путем сжигания порошковой смеси в атмосфере азота при высоком давлении (до 80 атм). В данной работе впервые выполнено исследование синтеза карбонитрида титана в бомбе постоянного давления из гранулированных смесей. Исследована зависимость содержания азота в карбонитриде от условий синтеза из смесей Ti + 0.5C и TiC + Ti: давление газа в процессе синтеза, комбинации низкого давления при сгорании смеси и более высокого при остывании образца. Проведено сравнение карбонитридов титана, синтезированных из гранулированных смесей в бомбе постоянного давления и в проточном реакторе при давлении, не превышающем 1 атм. Химический анализ показал, что содержание азота в продукте, полученном в бомбе постоянного давления, достигает 5.1% (под давлением 16 атм), а в проточном реакторе (перепад давлений 1 атм) – 8%. Замена исходного состава Ti + 0.5C на TiC + Ti привела к повышению содержания азота в продукте из бомбы постоянного давления до 9%, а из проточного реактора – до 9.4%. Синтез карбонитрида титана из гранулированной шихты в проточном реакторе не требует высокого давления азота, обеспечивает получение карбонитрида, близкого по составу к TiC0.5N0.5, и является перспективным для масштабирования процесса.

Об авторах

Б. С. Сеплярский

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова

Email: seplb1@mail.ru
ул. Академика Осипьяна, 8, Черноголовка, Московская обл., 142432 Россия

Н. И. Абзалов

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова

ул. Академика Осипьяна, 8, Черноголовка, Московская обл., 142432 Россия

Р. А. Кочетков

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова

ул. Академика Осипьяна, 8, Черноголовка, Московская обл., 142432 Россия

О. М. Милосердова

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова

ул. Академика Осипьяна, 8, Черноголовка, Московская обл., 142432 Россия

Т. Г. Лисина

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова

ул. Академика Осипьяна, 8, Черноголовка, Московская обл., 142432 Россия

Список литературы

  1. Zhang S. Titanium Carbonitride-Based Cermets: Processes and Properties // Mater. Sci. Eng., A. 1993. V. 163. № 1. P. 141–148. https://doi.org/10.1016/0921-5093(93)90588-6
  2. Yang Q., Lengauer W., Koch T., Scheerer M., Smid I. Hardness and Elastic Properties of Ti (CxN1–x), Zr(CxN1–x) and Hf(CxN1–x) // J. Alloys Compd. 2000. V. 309. P. L5–L9. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(00)01057-4
  3. Cardinal S., Malchère A., Garnier V., Fantozzi G. Microstructure and Mechanical Properties of TiC–TiN-Based Cermets for Tools Application // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. V. 27. P. 521–527. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.10.006
  4. Kenzhegulov 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. № 5. 564. https://doi.org/10.3390/coatings12050564
  5. Jiaojiao G., Jinpeng S., Ping P., Weiqi M. Effect of Sintering Temperature on Residual Stress, Microstructure and Mechanical Properties of TiC-HfN/TiC–TiN Laminated Ceramic // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 23. P. 38432–38438. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.09.294
  6. Matei A.A., Pencea I., Stanciu S.G., Hristu R., Antoniac I., Ciovica E., Stanciu G.A. Structural Characterization and Adhesion Appraisal of TiN and TiCN Coatings Deposited by CAE-PVD Technique on a New Carbide Composite Cutting Tool // J. Adhes. Sci. Technol. 2015. V. 29. № 23. P. 2576–2589. https://doi.org/10.1080/01694243.2015.1075857
  7. Azadi M., Sabour Rouhaghadam A., Ahangarani S. A Review on Titanium Nitride and Titanium Carbide Single and Multilayer Coatings Deposited by Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition // Int. J. Eng., B. 2016. V. 29. № . 5. P. 677–687. https://doi.org/10.5829/idosi.ije.2016.29.05b.12
  8. Pastor H. Titanium-Carbonitride-Based Hard Alloys for Cutting Tools // Mater. Sci. Eng., A. 1988. V. 105–106. Pt. 2. P. 401–409. https://doi.org/10.1016/0025-5416(88)90724-0
  9. Xiang J., Xie Z., Huang Y., Xiao H. Synthesis of Ti(C, N) Ultrafine Powders by Carbothermal Reduction of TiO2 Derived from Sol–Gel Process // J. Eur. Ceram. Soc. 2000. V. 20. № 7. P. 933–938. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(99)00210-1
  10. Mu Y., Wang M., Yu D. Synthesis of Ti(CN) Powders by Combustion Reaction from Ti Powder and a Novel Carbon–Nitrogen Precursor // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2011. V. 29. № 2. P. 326–328. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2010.10.001
  11. Chen X., Xu J., Xiong W., Zhou S., Chen S. Mechanochemical Synthesis of Ti(C,N) Nanopowder from Titanium and Melamine // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2015. V. 50. P. 152–156. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.01.003
  12. Shen G., Tang K., An C., Yang Q., Wang C., Qian Y. A Simple Route to Prepare Nanocrystalline Titanium Carbonitride // Mater. Res. Bull. 2002. V. 37. № 6. P. 1207–1211. https://doi.org/10.1016/S0025-5408(02)00736-5
  13. Alexandrovskii S.V., Sizyakov V.M., Li D.V., Geilikman M.B., Ratner A.K. Synthesis Method of Titanium Carbonitride: Patent RF 2175021, 20 October 2001.
  14. Авакян А.Б., Баграмян А.П., Боровинская И.П., Григорян С.Л., Мержанов А.Г. Синтез карбонитридов переходных металлов // Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка, 1975. С. 98–113.
  15. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Володин Ю.Е. О механизме горения пористых металлических образцов в азоте // Докл. АН СССР. 1972. Т. 206. № 4. С. 905–908.
  16. Agrafiotis C.C., Puszynski J.A., Lavacek V.H. Experimental Study on the Synthesis of Titanium and Tantalum Nitrides in the Self-Propagating Regime // Combust. Sci. Technol. 1991. V. 76. № 4–6. P. 187–218. https://doi.org/10.1080/00102209108951709
  17. Carole D., Fréty N., Paris S., Vrel D., Bernard F., Marin-Ayral R.-M. Microstructural Study of Titanium Carbonitride Produced by Combustion Synthesis // Ceram. Int. 2007. V. 33. № 8. P. 1525–1534. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2006.06.002
  18. Eslamloo-Grami M., Munir Z.A. The Mechanism of Combustion Synthesis of Titanium Carbonitride // J. Mater. Res. 1994. V. 9. № 2. P. 431–435.
  19. Yeh C.L., Chen Y.D. Direct Formation of Titanium Carbonitrides by SHS in Nitrogen // Ceram. Int. 2005. V. 31. № 5. P. 719–729. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2004.07.013
  20. Костин С.В, Барзыкин В.В. Предел фильтрационно-диффузионного горения порошка титана в азоте при наличии дегазации // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37. № 3. С. 58–63.
  21. Щербаков В.А., Сычев А.Е., Штейнберг А.С. Макрокинетика дегазации в процессе СВС // Физика горения и взрыва. 1986. Т. 22. № 4. С. 55–61.
  22. Сеплярский Б.С., Брауэр Г.Б., Тарасов А.Г. Экспериментальное исследование горения “безгазовой” системы Ti + 0.5C в спутном потоке азота // Физика горения и взрыва. 2011. Т. 47. № 3. С. 52–59.
  23. Сеплярский Б.С., Тарасов А.Г., Кочетков Р.А., Ковалев И.Д. Закономерности горения смеси Ti + TiC в спутном потоке азота // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 3. С. 61–67.
  24. Korchagin M.A., Dudina D.V., Gavrilov A.I., Bokhonov B.B., Bulina N.V., Panin A.V., Lyakhov N.Z. Combustion of Titanium–Carbon Black High-Energy Ball-Milled Mixtures in Nitrogen: Formation of Titanium Carbonitrides at Atmospheric Pressure // Materials. 2020. V. 13. № 8. 1810. https://doi.org/10.3390/ma13081810
  25. Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра // Докл. АН. 2004. Т. 396. № 5. С. 640–643.
  26. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А. Исследование закономерностей горения порошковых и гранулированных составов Ti + xC (x > 0.5) в спутном потоке газа // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 9. С. 21–31. https://doi.org/10.7868/S0207401X17090126
  27. Сеплярский Б.С., Тарасов А.Г., Кочетков Р.А. Экспериментальное исследование горения “безгазового” гранулированного состава Ti + 0.5C в спутном потоке аргона и азота // Физика горения и взрыва. 2013. № 5. С. 55–63.
  28. Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A. Granulation as a Tool for Stabilization of SHS Reactions // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2017. V. 26. № 2. P. 134–136. https://doi.org/10.3103/S106138621702011X
  29. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы работы. Л.: Химия, 1979. 176 с.
  30. Мержанов А.Г., Рогачев А.С., Умаров Л.М., Кирьяков Н.В. Экспериментальное исследование газовой фазы, образующейся в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Физика горения и взрыва. 1997. Т. 3. № 4. С. 55–64.
  31. Тарасов А.Г., Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Баринов Ю.Н. Влияние содержания водорода в титане на структуру фронта и особенности горения гранулированной смеси Ti + 0.5С в спутном потоке азота // Хим. физика. 2016. Т. 35. № 3. С. 77–83. https://doi.org/10.7868/S0207401X16030110

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025