Композиты с титановой матрицей, армированные биогенным наполнителем

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8700 (2022) Цитировать эту статью

1647 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Изготовлены новые металломатричные композиты (ММК) с матрицей Ti6Al4V и биогенным керамическим наполнителем в виде диатомита (ДЭ). Смеси порошков ДЭ и Ti6Al4V консолидировали методом искрово-плазменного спекания (ИПС). Микроструктуру консолидированных образцов исследовали методами микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Термомеханические характеристики получены методом малых выборок. Полученные результаты показывают, что изготовленные композиты демонстрируют выдающиеся механические и термические свойства благодаря синергетическому эффекту между наполнителем и матрицей (вне правил смесей).

Металломатричные композиты (ММК) — новый класс конструкционных материалов с регулируемыми механическими и функциональными свойствами1. Одной из наиболее часто используемых матриц ММК является титан и титановые сплавы, например двухфазный Ti6Al4V2.

В литературе широко используются армирования композитов на основе сплавов Ti: TiB, TiC, TiB2, TiN, B4C, ZrC, SiC, Al2O3 и углеродные нанотрубки3,4,5,6,7. Из-за высокой химической активности Ti во время традиционного процесса металлургии слитков, а также для снижения стоимости и потерь материала в производственном процессе, обычно используемым методом производства ТМК с прерывистым наполнителем (частицами или короткими волокнами) является порошковая металлургия (PM). )8,9,10. Ключевыми параметрами, обеспечивающими хорошие характеристики композита, являются гомогенная дисперсия арматуры и высокая адгезия к матрице.

В зависимости от реакции армирования и матрицы различают методы изготовления ex-situ и in-situ11. Композиты с термодинамически стабильной керамикой, такой как SiC, TiC, TiB или ZrC, обрабатываются ex-situ. Этот способ не меняет ни размера частиц, ни их морфологии и приводит к превосходным механическим свойствам (износостойкость и коэффициент трения в условиях сухого скольжения и т. д.). Реакционная способность титановой матрицы с бором, углеродом и азотом позволяет осуществлять обработку на месте. Лучшее межфазное соединение, полученное методами in-situ, приводит к улучшению трибологических характеристик этих композитов.

Кроме того, существует два возможных подхода MMC в PM, известные как метод смешанных элементов (BE) и метод порошка предварительного легирования (PA)8,12. Элементы, полученные методом БЭ, обладают более низкими механическими свойствами, тогда как механические свойства ММК в ПМ, изготовленных методом ПА, сопоставимы со свойствами, полученными из Ti-сплавов8.

Деформируемый сплав Ti6Al4V обладает прочностью на разрыв в диапазоне 850–1200 МПа, пластичностью от 3 до 26%8,13,14,15,16. Предел прочности ПМ Ti6Al4V зависит от пористости и микроструктуры.

Элемент, спеченный методом БЭ, придает прочность в диапазоне от 750 до 900 МПа8,17,18,19,20 с удлинением от 3 до 13%8,17,18,19,20. ПА Ti6Al4V обладает широким диапазоном свойств при растяжении – от 700 до 1070 МПа при пластичности 7,5–21%8,17,21,22,23,24. Более высокий предел прочности получен для элементов ПА со 100% плотностью25.

Также известно, что Ti реагирует с Si, и из-за положительного влияния добавления Si на сопротивление окислению и ползучести сплавов Ti-X-Si системы Ti-Si продолжают привлекать технологический интерес26,27. Равновесная фазовая диаграмма указывает на пять силицидных фаз: четыре полностью стехиометрические (TiSi2, TiSi, Ti5Si4 и Ti3Si) и одну нестехиометрическую (Ti5Si3). Силициды металлов среди интерметаллических соединений обычно считаются придающими хорошие механические/физические свойства28.

Потенциальным источником Si может быть кремнезем (SiO2), который встречается в различных типах, то есть коллоидный кремнезем, осажденный кремнезем из щелочных силикатов, глин, стекла, а также кремнезем, образующийся в результате растворения минералов29,30,31,32,33,34. ,35,36.