Получение порошков методом СВС

     ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ МЕТОДОМ СВС
    
     П.А. Витязь, А.Ф. Ильющенко, Т.Л. Талако, А.И. Лецко
    
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является эффективным энерго- и ресурсосберегающим методом получения композиционных порошков [1]. Метод основан на использовании экзотермического эффекта реакций взаимодействия большинства металлов периодической системы с бором, углеродом, азотом, кремнием и др. Сущность процесса заключается в том, что, после локального инициирования, реакция протекает в узкой зоне – волне горения, перемещающейся по образцу за счет теплопередачи. В качестве реагентов используются смеси элементов:
       - металлов с неметаллами;
       - металлов с металлами;
       - неметаллов с неметаллами, или их соединений, способных при взаимодействии выделять большое количество тепла.
       Общую схему процесса можно представить  в следующем виде:
        
       X(i) + Y(j) = Z(k),
        
       где X(i) – реагент в твердом состоянии;
               Y(j) – реагент в твердом, жидком или газообразном состоянии;
                Z(k) – продукт синтеза (карбиды, бориды, силициды, нитриды, интерметаллиды, др.) в конденсированной фазе.
       Благодаря особенностям процесса: высокой температуре; кратковременности химических и физических процессов; высокой скорости внутреннего саморазогрева, протеканию реакций в условиях резкого градиента температур и др. метод позволяет синтезировать композиции, получение которых другими известными способами требует больших затрат и/или сложного дорогостоящего оборудования, либо вообще невозможно [2]. Важным технологическим преимуществом использования СВС для получения композиционных порошков является также возможность получения многокомпонентных продуктов в одну стадию даже в системах материалов, значительно отличающихся по свойствам (например, температурам плавления).
        
  

1 - ПВЭМ для сбора и обработки данных; 2- экспериментальный реактор СВС;
3 - агрегат вакуумный ротационный; 4 - цифровая камера; 5 – модуль контроля и диагностики;
6 – пульт управления; 7- устройство для предварительного подогрева

Рис. 1. Экспериментальный исследовательский комплекс СВС
      
       В Институте порошковой металлургии (ИПМ) более 25 лет ведутся интенсивные исследования и разработка технологических процессов самораспространяющегося высоко-температурного синтеза композиционных порошков. Изучение основных технологических параметров синтеза (температуры и скорости горения, кинетики и стадийности процесса и т. д.) проводится с использованием экспериментального исследовательского комплекса СВС (рис. 1), изготовленного в ГНУ ИПМ [3]. Проведенные исследования и созданные термодинамические и физические модели позволили разработать технологии получения широкого спектра композиционных СВС-порошков типа «металлическая связка/тугоплавкое соединение», в том числе ряд материалов, не имеющих аналогов в мире и обладающих новыми эксплуатационными свойствами. Созданное оборудование и процессы СВС-технологий защищены патентами РБ.
       В качестве связок обычно используются металлы, металлические сплавы (на основе железа, никеля, алюминия) и интерметаллиды (NixAly, FexAly, TixNiy, TixAly). В качестве тугоплавких соединений, как правило, используют карбиды титана, хрома, кремния и их комбинации, а также оксиды алюминия, титана и хрома.
       Характерными особенностями синтезируемых порошков являются:
       - наличие металлургической связи между составляющими композиционной частицы;
       - мелкозернистая структура с тонким объемным распределением тугоплавкой составляющей;
       - постоянство фазового состава независимо от размеров порошковой композиционной частицы;
       - низкая стоимость материалов (за счет низкой энергоемкости процесса по сравнению с другими методами получения).
       Основные этапы типовой технологической схемы процесса получения СВС-порошков включают подготовку порошковой шихты, непосредственно синтез, а также размол и классификацию полученного продукта по фракциям. В ряде случаев используют предварительную механическую активацию реакционной смеси в аттриторе. Введение этой операции позволяет производить взаимоизмельчение исходных порошков до требуемого размера и формировать композиционные частицы с равномерным распределением исходных реагентов по объему. Большая контактная поверхность между реагентами и отсутствие окисных пленок на контактирующих поверхностях в композиционных частицах снижает теплопотери при синтезе, а также повышает активность системы и гомогенность продукта горения. Синтез в системах с низким теплосодержанием осуществляют с использованием предварительного подогрева в печи.
       Рассмотрим основные классы синтезируемых порошков более подробно.
       Металлокерамические порошки типа «карбид-металл». Композиционные порошки типа «карбид-металл (металлический сплав)» получают синтезом карбидной фазы из элементов в присутствии металлической связки, выполняющей функцию разбавителя. Наиболее популярными являются СВС-композиции на основе карбида титана. Это связано, в первую очередь, с высоким экзотермическим эффектом реакции образования карбида титана из элементов, предоставляющим широкие возможности для выбора материала и относительного содержания связки. Кроме того, высокая твердость и износостойкость карбида титана обеспечивают отличные механические характеристики композиций на его основе. В качестве металлических связок используются железо, никель, кобальт, алюминий, медь и сплавы на их основе. Типичная структура композиционного СВС-порошка на основе карбида титана представлена на рисунке 2. Размер зерен карбидной фазы составляет, как правило, от 0,5 до 2-5 мкм. Микротвердость материала зависит от типа и относительного содержания связки и составляет в среднем порядка 950 HV0.5 с диапазоном значений от 300 до 2000 HV0.5.
      



а

б

Рис. 2. Структура и рентгенограмма СВС- порошка 55%TiC/45%NiCr-
       Синтез композиционных порошков на основе карбидов хрома из элементов несколько осложнен низким экзотермическим эффектом взаимодействия между реагентами (Cr-C). Поэтому он реализуется с использованием предварительного подогрева шихты до температур 723-873 К. Микроструктура и рентгенограмма композиционного порошка 75%CrxCy/25%NiCr представлена на рисунке 3. Помимо основной карбидной фазы – Cr3C2 с размером зерен от 2 до 15 мкм, окруженной прослойками никелевого твердого раствора (темная фаза на рисунке 3а) в структуре материала присутствует также некоторое количество тонких включений карбида Cr7С3. Микротвердость композиции составляет порядка 850-1650 HV0.5.
      



а

б
Рис. 3. Структура и рентгенограмма СВС- порошка 75%CrxCy/25%NiCr
      
       Известно, что карбиды металлов IV и VI групп периодической системы способны к образованию сложных карбидов, обладающих в ряде случаев более высокими физико-механическими характеристиками, чем карбиды, из которых они состоят [4]. Однако производство композиционных порошков на основе сложных карбидов другими методами малоэффективно из-за многостадийности и трудоемкости процессов их получения. СВС-технология позволяет эффективно синтезировать композиции на основе сложных карбидов в одну стадию [5].
       Типичным примером таких материалов являются композиционные порошки системы Cr3C2-TiC/NiCr. Известно, что в карбиде титана может растворяться до 85 % Cr3C2 [4], образуя сложный карбид титана-хрома. Порошки на основе двойных карбидов титана-хрома получают одновременным синтезом карбидов титана и хрома из элементарных порошков в присутствии порошка нихрома. Идея создания композиций на основе двойных карбидов титана-хрома основана на попытке объединения отличной износостойкости и чрезвычайно высокой твердости карбида титана с высокой коррозионной стойкостью карбида хрома. В таблице 1 представлена стойкость к окислению СВС-порошков размером менее 50 мкм при выдержке в печи с естественной конвекцией в течение 2 часов. Для учета разницы материалов по плотности в качестве характеристики стойкости материалов к окислению использовали величину прироста массы, приведенную к исходной массе исследуемого порошка. Для контроля количества хрома, растворенного в решетке карбида титана, использовали величину параметра решетки карбида титана (известно, что хром, растворяясь в решетке карбида титана, снижает его параметр решетки [6]). Из приведенных данных видно, что с увеличением содержания карбида титана стойкость порошка к окислению уменьшается. Для состава с 30 % карбида хрома, несмотря на существенно меньший прирост массы, кинетика окисления все еще контролируется формированием оксидов титана, которые не обладают высокими защитными свойствами. Достаточный защитный слой оксида хрома формируется при соотношении карбидов титана и хрома 30:70 (состав 5 таблицы 1). Стойкость этого материала к окислению близка к стойкости карбида хрома. Когда условия синтеза способствуют преимущественному формированию карбида хрома состава Cr7C3 и меньшему растворению хрома в решетке карбида титана (параметр решетки 0,4320), стойкость материала к окислению снова падает (состав 6 таблицы 1).

Таблица 1. Скорость окисления СВС- порошков системы CrxCy-TiC/NiCr размером менее 50 мкм при выдержке
в печи с естественной конвекцией в течение 2 часов

№
Состав карбидных фаз, масс. %
Параметр решетки TiC, нм
Прирост массы, мг/г при температуре (К)



573
673
723
773
823
873
1
100TiC
0.4345
33
36
38
63
73
362
2
10CrxCy-90TiC
0.432
53
48
49
78
131
139
3
20CrxCy-80TiC
0.4315
0
3
7
39
127
130
4
30CrxCy-70TiC
0.4290
0
2
6
71
78
79
5
70CrxCy-30TiC
0.4280
0
4
10
14
15
13
6
70CrxCy-30TiC
0.4320
0
4
12
26
40
100
7
100Cr3C2
-
0
0
3
5
10
9

       Микроструктура и фазовый состав порошка (70 % Cr3C2-30 % TiC)/25 % (80 % Ni20 % Cr, масс. %), соответствующего составу 6 таблицы 1 представлены на рисунке 4. Серые области представляют собой зерна карбида титана округлой формы размером порядка 0,5-1,0 мкм, окруженные тонкими прослойками твердого раствора на основе никеля (светлые области). Содержание хрома в объеме кристаллов практически постоянно и составляет, согласно результатам микрорентгеноспектрального анализа, порядка 3 %. Микротвердость таких областей составляет 750-1420 кг/мм2. Порошок также содержит полиэдрические кристаллы Cr3C2 (светло-серые) с размером порядка 2-5 мкм и микротвердостью 1420-1650 кг/мм2. Кроме того, некоторое количество тонких включений никелевого твердого раствора присутствует в областях карбида хрома. Газотермические покрытия из синтезированных порошков карбидов хрома-титана при сравнимых механических свойствах демонстрируют чрезвычайно высокую стойкость к термоциклированию: в 8-10 раз выше по сравнению с традиционными композициионными покрытиями на основе карбидов вольфрама и хрома и отличную эрозионную стойкость при температурах до 700 ?С [7].




а

б

в
Рис. 4. Микроструктуры и рентгеннограмма СВС порошка
(70 % Cr3C2-30 % TiC)/25 % (80 % Ni20 % Cr);
      
Другой подход к повышению свойств композиционных металлокерамических композиционных порошков на основе карбидов – разработка материала связки. Большой прогресс был достигнут при получении композиционных порошков на основе карбида титана со сложными легированными связками, обеспечивающими повышенные свойства материалов [8]. Многокомпонентные связки могут вводиться в реакционную шихту в виде уже готовых порошков сплавов, либо формироваться в процессе СВС в результате плавления и химического взаимодействия простых реагентов.
       Наконец, перспективным направлением разработки антифрикционных материалов является создание композиционных порошков, содержащих в своем составе твердые смазки,  такие как графит, фторид кальция и дисилицид молибдена. Порошки получают методом СВС путем введения в реакционную шихту соответствующих порошков твердых смазок. Например, СВС порошки с твердыми смазками (TiC/NiCr/MoS2, TiC/NiCr/CaF2, TiC/FeCr/графит, TiC/FeCrMo/графит и Cr2O3/TiO2/CaF2) обеспечивают отличную работоспособность покрытий в условиях сухого трения или трения с граничной смазкой, а также при высоких температурах [9].
       Композиционные порошки «интерметаллид-оксид». Еще одним классом перспективных материалов являются композиционные порошки типа «интерметаллид-оксид» на основе алюминидов никеля, железа и титана, обеспечивающие значительное уменьшение массы за счет невысокой плотности алюминидов по сравнению с традиционно используемыми суперсплавами при сохранении высоких механических и коррозионных свойств композиций. Такие композиции методом СВС могут быть получены двумя способами: (1) синтезом интерметаллических соединений из элементов в присутствии дисперсных частиц оксидов и (2) формированием необходимых композиций с использованием алюминотермических реакций. Оба способа имеют некоторые ограничения, связанные с невысоким (в первом случае) или наоборот, слишком высоким (как во втором случае) теплосодержанием реакционных смесей.
       Как отмечалось выше, использование предварительной механической активации позволяет активировать процесс синтеза в низкоэкзотермичных системах и формировать однородную тонкозеренную структуру композиций с равномерным распределением оксидных частиц в объеме материала. На рисунке 5 представлена микроструктура композиционного порошка NiAl/15%Al2O3, полученного механоактивируемым синтезом моноалюминида никеля из элементов в присутствии дисперсных частиц оксида алюминия. Микротвердость порошка составляет 350-650 HV50. Варьирование содержания оксидной фазы позволяет эффективно регулировать линейный коэффициент термического расширения (ЛКТР) материала.
      



а)

б)
Рис. 5. Микроструктура и рентгенограмма СВС- порошка NiAl/15%Al2O3
      
       Проблема получения композиций интерметаллид/оксид в системах с алюминотермическими реакциями связана с высокими температурами восстановительных реакций, приводящими к реализации процессов фазоразделения при СВС. Протекание механохимических реакций в ограниченных объемах на этапе механоактивации позволяет снизить теплосодержание реакционных смесей и получать ультрадисперсные композиты и даже нанокомпозиционные порошки в системах с алюминотермическими реакциями [10]. Такой подход, например, был реализован в системах Fe-Al-Fe2O3 и Fe-Al-Cr2O3 [11]. Были получены нанокомпозиционные порошки на основе моноалюминида железа FeAl/Al2O3 и FeAl(Cr)/Al2O3, полностью наследующие структурную морфологию прекурсоров (рис. 6).
      




a
б
в
г




д
е
ж
з

Рис. 6. Структура порошковых механокомпозитов, полученных в системах Fe-Al-Fe2O3 (а,б)
и Fe-Al-Cr2O3 (д, е), и продуктов СВС, полученных с  использованием этих механокомпозитов:
(в, г) и (ж,з), соответственно
      
       Разработанные композиционные порошки успешно применяются для нанесения защитных износо- и коррозионностойких покрытий методами плазменного, детонационного и высокоскоростного газопламенного напыления. По сравнению с традиционно применяемыми для газотермического напыления механическими смесями и конгломерированными порошками синтезированные порошки обеспечивают сохранение фазового состава композиции в процессе напыления, равномерное распределение твердой фазы в объеме покрытия, увеличение коэффициента использования материала на 10-30% (таблица 2), а также более высокую износостойкость покрытий (таблица 3). Особенно перспективными представляются композиты Cr3C2/Me, TiC/Me и Cr3C2/TiC/Me, из которых получают высококачественные износостойкие покрытия, не уступающие лучшим износостойким покрытиям из композитов на основе карбида вольфрама [12]. При этом удельная стоимость м2 покрытия оказывается намного меньше благодаря меньшей плотности материала, более низкой стоимости исходного сырья и повышенному коэффициенту использования материала при напылении. Свойства и назначение некоторых разработанных СВС-порошков и покрытий из них представлены в таблице 3.


Таблица 2. Сравнительные свойства HVOF-покрытий
из композиционных порошков Cr3C2 / NiCr

Свойство
81 UF-NS, METCO: механическая смесь 75% Cr3C2 + 25% Ni20Cr, масс.%
Композиционный СВС-порошок того же состава
Коэффициент использования материала, %
32
50
Содержание NiCr-связки, масс. %
38
20
Содержание кислорода, масс. %
9-10
6-7
Фазовый состав
Cr7C3, твердый раствор на основе ?-Ni
Cr7C3, Cr3C2, твердый раствор на основе ?-Ni



Таблица 3. Сравнительная стойкость газотермических покрытий к газоабразивной эрозии
(абразив – частицы SiO2 размером 0.05-0.20 мм, расход абразива 16 g/mm2, скорость
газового потока 60 м/с, угол атаки 90?)

Материал
(Coстав в масс. %)
Метод напыления
Глубина канавки,
Rmax, ?m
Интенсивность изнашивания,
I, мг/(мм2?г)
81 UF-NS, METCO: механическая смесь
75% Cr3C2 + 25% Ni20Cr
Высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF)
110
0,028
Композиционный СВС-порошок
75% Cr3C2 / 25% Ni20Cr
HVOF
100
0,015

Плазменное напыление при пониженном давлении (LPPS), Ar-H2
60
менее 0,005

LPPS, Ar-He
100
0,024
Композиционный СВС-порошок
55% TiC / 45% Ni20Cr
HVOF
80
0,013

LPPS, с подогревом основы
70
менее 0,005

LPPS, с охлаждением основы
100
0,038
Композиционный СВС-порошок
50% TiC / 50% Fe30Cr
HVOF
140
0,038

LPPS, с подогревом основы
70
0,009
      

Таблица 4. Свойства и назначение синтезированных композиционных порошков
для газотермического напыления

Порошок
Состав,
масс. %
Твердость
покрытий, HV
Область применения

NCT-55

NiCr/55%TiC
680-990
Детали энергетического оборудования, лопатки газовых турбин последних ступеней, фрикционные поверхности деталей насосов, вкладыши (втулки) валов и направляющих шлифовальных станков, основные оси шасси, тормозные устройства самолетов, опоры компрессоров и др.
FCT-50
Fe/50%TiC
680-1300
Стальные валы, посадочные места под  подшипники, работающая с пластмассами прессовая оснастка, уплотнительные кольца и плунжеры насосов и др.
ASCT-50
AlSi/50%TiC
340-430
Детали и конструкции из алюминиевых и титановых сплавов: замки крепления роторных лопаток, винтовые лопасти летающих аппаратов, шасси самолетов, ходовые винты кораблей и  подводных лодок, изнашиваемые поверхности эскалаторов, поверхности трения бытовой техники, кольца синхронизаторов, фрикционные диски, детали нитепроводящей арматуры и др.
NAA-40
NiAl/40%Al2O3
350-575
Детали энергетического оборудования,  производства и переработки химических волокон; восстановление и защита от коррозии и износа соледобывающего оборудования.
NCC-NCT
70-30
25%NiCr/
75% (70%Cr3C2 - 30TiC)
710-1100
Рекомендуются для защиты деталей энергетического оборудования (котлов, газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания), ковочной оснастки, дробящих роликов, матриц для горячего прессования, вкладышей подшипников, др.
FA-15
FeAl/15% Al2O3
390-730
Рекомендуются для защиты от коррозии и износа энергетического оборудования, деталей оборудования для газификации угля, а также механизмов, работающих с расплавленными солями (окисляющими и карбонатными).
NCC-75
NiCr/75%Cr3C2
670-920
Детали энергетического оборудования (котлов, газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, ковочная оснастка, дробящие ролики, матрицы для горячего прессования, вкладыши подшипников и др.

      
       Благодаря своим особенностям, метод СВС позволяет получать порошки на основе интерметаллических сплавов с уникальной структурой и свойствами. Общее химическое уравнение синтеза интерметаллидов методом СВС можно записать следующим образом:
      
Me’+Me”? Me’xMe”y.

       Из-за того, что экзотермический эффект образования большинства интерметаллидов из элементов недостаточно высок, обычно для получения порошков интерметаллидов используют предварительный подогрев. Благодаря малой плотности и высоким удельным механическим свойствам наиболее перспективны порошки на основе алюминидов никеля, железа и титана. Ниже представлены оригинальные порошки интерметаллидов, разработанные в институте порошковой металлургии.
       Разработан новый порошок на основе алюминидов железа FeAl-FexAly с повышенными механическими характеристиками ?13?. Идея создания порошка заключается в создании эвтектоидной структуры материала на основе моноалюминида железа, упрочненного вторичными включениями богатых алюминием интерметаллидов, формирующимися в процессе СВС. Структура и рентгенограмма порошка представлены на рисунках 7-8.
      



a
б
в
Рис. 7. Морфология поверхности (а), поперечное сечение (б)
и ПЭМ-микрофотография (в) СВС-порошка FeAl-FexAly
  

Рис. 8. Рентгенограмма СВС- порошка FeAl-FexAly
    
     Согласно результатам микрорентгеноспектрального анализа [14], светло-серая матричная фаза представляет собой FeAl с небольшим избытком алюминия. Пластинчатые кристаллы по составу близки к FeAl2. Однако, согласно данным рентгенофазового анализа (cм рис. 8), в структуре материала четко идентифицируются рефлексы интерметаллида Fe2Al5. Данные сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии свидетельствуют о том, что Fe2Al5 располагается на поверхности порошковых частиц, а также присутствует в виде тонких включений в объеме пластинчатых кристаллов (см рис. 7 в). Эта смесь фаз, видимая на ПЭМ-микрофотографиях и идентифицируемая как FeAl2+Fe2Al5, формируется в результате неравновесного механизма структурообразования при СВС. Микротвердость порошка составляет порядка 500-850 HV50. Это значительно выше микротвердости традиционных B2 сплавов на основе моноалюминида железа (250-450 HV50). При этом, трещинообразования в материале, наблюдаемого для стехиметрических моноалюминидов железа и композиций FeAl2+Fe2Al5, получаемых другими методами, не наблюдается. Структурные особенности материала (высокое содержание алюминия и эвтектоидная структура на основе моноалюминида железа, упрочненного тонкими включениями других алюминидов железа) обеспечивают высокую износо- и коррозионную стойкость ?14?. Трибологические свойства детонационных покрытий из синтезированного порошка (стойкость к абразивному износу и эрозии, а также износу в условиях трения скольжения) близки к свойствам покрытий из композиций на основе легированных алюминидов железа и никеля, упрочненных карбидными и оксидными включениями. Стойкость к окислению HVOF-покрытий из синтезированного порошка сравнимы со стойкостью композиции NiCrAl-Al2O3. На базе проведенных исследований в сотрудничестве с французскими учеными разработаны СВС-порошки для компактных порошковых изделий на основе Fe3Al ?15?.
       Как отмечалось ранее, СВС в многокомпонентных системах позволяет получать сложные легированные соединения. Дополнительное использование механической активации существенно расширяет возможности СВС при получении таких материалов. Так, например, использование предварительной механоактивации реакционной шихты в системе NiCr (твердый раствор хрома в никеле)-Al позволило получить оригинальную структуру СВС-порошка на основе моноалюминида никеля, легированного хромом, упрочненную дисперсными выделениями твердого раствора на основе a-Cr, равномерно распределенными в структуре материала и образующимися непосредственно в процессе получения материала методом СВС (рис. 9) [16]. При этом, содержание хрома, растворенного в алюминиде никеля, составляет 3-6 ат.%, что значительно выше значения предельной растворимости при комнатной температуре (? 1 ат. %). Микротвердость порошка составляет 320-550 Hv50.
  


Рис. 9. Микроструктура СВС-порошка NiAl(Cr)
      
       Разработан новый СВС-порошок Ti-46Al-8Cr, ат. %, на основе алюминидов титана ?17?. Порошок характеризуется многофазной тонкодисперсной структурой, содержащей, в основном, алюминиды титана, легированные хромом: (g-TiAl(Cr), a2-Ti3Al(Cr), и Al0,67Cr0,08Ti0,25) (рис. 10). Средняя величина микротвердости при нагрузке 25 г составляет 3,13 ГПа (по сравнению с 1,55-2,80 ГПа для известных гамма-сплавов), а максимальное значение – 5,72 ГПа, соответственно. Несмотря на высокое содержание интерметаллидных фаз (порядка 90-95 %), трещинообразования в синтезированных материалах, в том числе и при индентировании, не наблюдается. Полученный порошок обеспечивает повышенную жаростойкость детонационных покрытий из синтезированного материала (до 1173 К) по сравнению с традиционно применяемыми гамма-сплавами [18].
      



Рис. 10. Микроструктура и рентгенограмма СВС- порошка Ti-46Al-8Cr, ат. %
      
К числу последних разработок Института порошковой металлургии относятся сложнолегированные СВС-порошки никель-цинкового феррита [19]. Ферриты - это сложные оксиды: химические соединения оксида железа с оксидами других металлов, обладающие особыми магнитными свойствами. Традиционно ферритные порошки получают по керамической технологии из смеси порошкообразных оксидов соответствующих металлов, подвергая эту смесь длительному обжигу при высоких температурах, при котором оксиды реагируют между собой, образуя ферриты. Эту реакцию называют реакцией ферритизации или просто ферритизацией. Осуществление реакции ферритизации в режиме горения позволяет резко снизить длительность ферритизации и проводить процесс с высокой производительностью без необходимости использования электропечей с большим расходом электроэнергии. При этом разброс электрофизических параметров изделий на основе СВС-продуктов оказался в 2 раза меньше, чем изделий на основе печного продукта, что связано с высокой степенью ферритизации во время горения [20]. Специфика СВС-процессов требует наличия в исходной смеси горючего и окислителя для осуществления горения. В качестве горючего обычно применяют металлы, входящие в состав данного феррита. В качестве окислителя используется кислород. Последний может быть использован из двух источников: внутреннего источника (за счет кислорода, выделяющегося при разложении добавляемых в реакционную смесь легко разлагающихся кислородсодержащих веществ, например, NaClO4) и внешнего, например, кислорода воздуха или баллонного  кислорода. Так, с использованием NaClO4 в качестве внутреннего источника кислорода и предварительной механоактивации реакционной шихты разработан СВС порошок Ni,Zn феррита с добавками кобальта и марганца и субмикронным размером зерен (рис. 11) для нанесения газотермических покрытий, работающих в качестве поглотителей микроволнового излучения в диапазоне частот 2-3 ГГц [21].
    


a
б

Рис. 11. Морфология поверхности (а) и поперечное сечение (б) СВС-порошка Ni,Zn-феррита
    
       Высокие свойства, демонстрируемые газотермическими покрытиями из разработанных СВС-порошков, поставили задачу промышленного освоения разработанных технологий. Так, в Институте порошковой металлургии впервые была разработана безреакторная технология процесса синтеза композиционных порошков в режиме горения в среде воздуха, обеспечивающая возможность синтеза композиций типа «карбид-металл», «интерметаллид-оксид» и др. в условиях любого термического участка. На базе ИПМ создано опытно-промышленное производство композиционных порошков мощностью 10 т/год с возможностью выпуска порошков для напыления узкого гранулометрического состава. Основными зарубежными потребителями СВС-порошков являются фирмы «Metalspray» (США), «Union Technology» (США), «РАФАКО» (Польша). Порошки для напыления поставляются также республиканским предприятиям НПО «Химволокно» (г. Могилев, г. Гродно) и ЛМЗ «Универсал» (г. Солигорск). За период с 2000 по 2009 г.г. изготовлено и поставлено по контрактам за рубеж более 5000 кг СВС-порошков на сумму более 350 000 $ США. Конкурентоспособность и соответствие мировому уровню разработанных материалов подтверждается наличием патентов и поставками синтезируемых порошков в США, Швецию, Японию, Германию, Индию. Пример практического использования композиционных порошков на основе двойных карбидов хрома-титана для напыления покрытий, способных противостоять комплексному воздействию износа и коррозии в узлах энергетического оборудования, работающих на твердом топливе, представлен на рис. 12. Использование покрытий из разработанных материалов позволяет в 2-2,5 раза увеличить межремонтный период бойлера, а остановка бойлера на ремонт требует больших финансовых затрат (сотни тысяч долларов США).
      


Рис. 12. Практическое использование СВС-порошков на основе двойных карбидов хрома-титана
для восстановления изношенных панелей твердотопливного бойлера
      
ЛИТЕРАТУРА

1. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия: современные проблемы / под ред. Я.М. Колотыркина. – М.: Химия, 1983. – С.6-45.
2. Левашов А.Е., Рогачев А.С., Юхвид В.И.,. Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Издательство БИНОМ, 1999. – 176 с.
3. Установка самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: пат. 1861 Респ. Беларусь, МПК7 C 01В 31/30 / А.В. Беляев, В.М. Забавский, Т.В. Гасак; заявитель ГНУ «Институт порошковой металлургии». - № а 20040399; заявл 13.08.2004; опубл. 01.12.2004.
4. Г.Н. Комратов. Кинетика окисления на воздухе порошков карбида титана и двойного карбида титана и хрома.// Порошковая металлургия, 1993, № 6, с.51-54.
5. А.П. Амосов, А.Ф. Федоров. Разработка комплексно легированных композиционных материалов на основе карбида титана для режущего инструмента. // Изв. ВУЗов. Сер. Черная металлургия, 1996 г., № 11, с. 62-65.
6. Sloof, W.G., Delhez, R., de Keijser, Th.H., Schalkoord, D., Ramaekers, P.P.J., Bastin, G.F. Chemical constitution and microstructure of TiCx coatings chemically vapour deposited on Fe-C substrates; effects of iron and chromium, // J. of Mater. Sci., 1988, Vol. 23, pp. 1660-1672.
7. Ilyushchenko, A., Vitiaz, P., Beliaev, A.,  Talako, T. SHS powder materials for protective coatings in power industry, Proceedings of the International Thermal Spray Conference “Thermal Spray 2001: New Surfaces for a new Millennium”, (Ed.) C.C. Berndt, K.A. Khor, E.F. Lugscheider, Published by ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2001, pp. 1299-1302.
8. Азарова T.A., Витязь П.А., Вилаге В, Штайнхоузер З. Структура и свойства композиционных материалов на основе карбида титана с добавками меди. // Республиканский межведомственный сборник научных трудов «Порошковая металлургия» (Минск), 2002, Выпуск 25, с. 85-89.
9. Ilyuschenko, A., Shevtsov, A., Azarova, T., Okovity, V., Smurov, V., Ignatiev, M., Kovalion, E. (2002): Investigation of composite powders with hard lubricant components for thermal spraying of coatings, Proc. ITSC, Essen, Germany, March 4-6, 2002, DVS-Verl. Essen, pp. 1029-1032.
10. Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. / Отв. редактор  О.И. Ломовский. - Новосибирск: Параллель, 2008. – 168 с.
11. Витязь П.А., Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф., Лецко А.И., Ильющенко А.Ф., Беляев А.В., Баринова А.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нанокомпозиционных порошков интерметаллид/оксид. Доклады Национальной Академии наук Беларуси, 2006, т. 50, № 3, с. 106-110.
12. В.Ю. Ульяницкий, С.Б. Злобин, П.А. Витязь, А.В. Беляев, Т.Л. Талако, А.И. Лецко Моделирование процесса детонационного напыления метало-керамических СВС-порошков // Республиканский межведомственный сборник научных трудов «Порошковая металлургия» (Минск), 2004г., Выпуск 27, с. 116-122.
13. Т.Л. Талако, А.В. Беляев, А.Ф. Ильющенко, А.И. Лецко. Порошковый материал на основе моноалюминида железа и способ его получения: пат. 6545 Респ. Беларусь, МПК7 C 22C 1/04, B 22F 3/23 /; заявитель ГНУ «Институт порошковой металлургии». - № а 20000930; заявл. 11.10.2000; опубл. 15.06.2004.
14. П.А. Витязь А.Ф. Ильющенко, Т.Л. Талако, А.В. Беляев, А.И. Лецко, B. Formanek, М.С. Яковлева Высокоскоростное газопламенное и детонационное напыление порошков алюминидов железа, полученных методом СВС. // Республиканский межведомственный сборник научных трудов «Порошковая металлургия» (Минск). – 2003. - Выпуск 26. – С. 135 – 141
15. А.Ф. Ильющенко, А.И. Акимов, Ю.А. Федотова, А.И. Лецко, Ж. Боннэ, С. Дюбуа, Т.Л. Талако, А.В. Беляев. Влияние высокотемпературного окисления на микроструктуру и фазовый состав порошкового сплава Fe3Al // Доклады НАН Беларуси. – 2007. – Т. 51, №1. – С. 116-122.
16. Беляев А.В., Талако Т.Л., Лецко А.И., Витязь П.А., Ильющенко А.Ф. Порошковый материал на основе моноалюминида никеля и способ его получения. // Патент РБ № 10317, приоритет от 17.03.2005 г., опубл. 22.11.2007
17. Патент РБ 10752, МПК (2006) B 22 F 9/16, С22С 21/00. Т.Л. Талако, А.И. Лецко, A.В. Беляев, А.Ф. Ильющенко, Т.В. Гасак. Способ получения порошкового материала на основе алюминидов титана. Опубл. Официальный бюллетень, 2008, № 3, с. 81.
18. T. Talaka, A. Ilyuschenko, A. Letsko, T. Hasak. Structure and Properties of MASHS Titanium Aluminide–Based Powder Alloyed with Chromium // Materials Science Forum. – 2007. – Vol. 534-536. – P. 1589-1592
19. McCartney, D.G., Zhang, D., Yellup J. Y., Bruhl M., Bobzin K., Richardt K., Talako T., Ilyushchanka A. Novel NiZn-Ferrite Powders and Coatings for Electromagnetic Applications, Proc of International Thermal Spray Conference ITSC’09 "Expanding Thermal Spray Performance to New Markets and Applications or Thermal Spray”, Las Vegas, May 2009, Ed. Basil, R. Marple, Margaret M., Hyland, Yuk-Chiu Lau, Chang-Jiu Li, Rogerio S. Lima, Ghislain Montavon. ASM international, 2009. pp. 818-823.
20. А.В. Комаров, М.Д. Нерсесян. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез ферритов. // Изв Академии наук СССР, сер. Неорганические материалы, 1993, том 29, №12. С.1674-1677.
21. McCartney, D.; Zhang, D.; Yellup, J.; Bruhl, M.; Bobzin, K.; Talako, T.; Ilyuschenko, A.; Weil, C.; Lindon, S. Development of NiZn-Ferrite Coatings for Electromagnetic Applications // Thermal Spray Bulletin 2 (2009) [2] 126-132.

ГЛАВА 7 П.А. ВИТЯЗЬ, А.Ф. ИЛЬЮЩЕНКО, Т.Л. ТАЛАКО, А.И. ЛЕЦКО
        


      ПОЛУЧЕНИЕ  ПОРОШКОВ  МЕТОДОМ  СВС

112
121