Исследование стойкости к окислению, механических характеристик материалов на основе МАХ-фаз систем Ti–Al–(C, N) и возможности их использования в качестве инструментальных связок и для полирования

Abstract

Изучение стойкости к окислению на воздухе методами термогравиметрии и дифференциально термического анализа показало, что высокоплотные образцы Ti₃AlC₂ более стабильны, чем Ti₂AlC и твердые растворы Ti₂AlC₁₋xNx, причем, при увеличении азота в составе твердых растворов (до х = 0,75), стойкость к окислению снижается. Материал, содержащий 89 % (по массе) Ti₃AlC₂ (остальное Al₂O₃ и ТіС), плотностью 99 % от теоретической имел прочность при изгибе Rbm = 500 МПа, при сжатии Rсm = 700 МПа, трещиностойкость KIc = 10,2 MПa×м0,5, твердость HRA = 70 ГПа, HV = 4,6 ГПа, модуль Юнга – 149,4±28,7 ГПа. После спекания MAX-фазы Ti₃AlC₂ с алмазами или с-BN (50 % (по массе)) в термобарических условиях при 5,5–7,7 ГПа и 1350–1960 °С в течение 0,07–1,0 ч она распадается с образованием TiС и TiAl или TiB₂, а на границе раздела с алмазами формируется тонкий слой Al₄C₃. Разложение Al₄C₃ в композиционном материале в результате взаимодействия с влагой воздуха приводит к образованию трещин по периметру алмазов, что вызывает полное разрушению материала в течение 1–2 недель. Порошок Ti₃AlC₂ оказался эффективным для финишного полирования ювелирных природных и синтетических кристаллов и конкурентоспособным по отношению к алмазам марки АСМ 2/1 по производительности и качеству обработки.

Вивчення стійкості до окислення на повітрі методами термогравіметрії і диференційно термічного аналізу показало, що високощільні зразки Ti₃AlC₂ більш стабільні, ніж Ti₂AlC і тверді розчини Ti₂AlC₁₋xNx, причому, при збільшенні вмісту азоту в складі твердих розчинів (до х = 0,75), стійкість до окислення знижується. Матеріал, що містить 89 % Ti₃AlC₂ (решта Al₂O₃ і ТіС ), щільністю 99 % від теоретичної мали міцність при згинанні Rbm = 500 МПа, при стисканні Rсm = 700 МПа, тріщиностійкість KIc = 10,2 MПa·м0.5, твердість HRA = 70 ГПа, HV = 4,6 ГПа, модуль Юнга – 149,4±28,7 ГПа. Після спікання MAX- фази Ti₃AlC₂ з алмазами або з с-BN (50 % (за масою) в термобаричних умовах при 5,5–7,7 ГПа і 1350–1960 °С протягом 0,07–1,0 год вона розпадається з утворенням TiС і TiAl або TiB₂, а на межі розділу з алмазами формується тонкий шар Al₄C₃. Розкладання Al₄C₃ в композиційному матеріалі в результаті взаємодії з вологою повітря призводить до утворення тріщин по периметру алмазів, що викликає повне руйнування матеріалу протягом 1–2 тижнів. Порошок Ti₃AlC₂ виявився ефективним для фінішного полірування ювелірних природних і синтетичних кристалів і конкурентоспроможним по відношенню до алмазів марки АСМ 2/1 по продуктивності та якості обробки.

Thermogravimetry and differential thermal analysis have been used to study the resistance to the air oxidation of high-density samples of Ti₃AlC₂, Ti₂AlC and Ti₂Al(C₁₋xNx) solid solutions. It has been shown that the Ti₃AlC₂ samples are more stable than Ti₂AlC and Ti₂Al(C1–xNx) solid solutions and as the nitrogen content of the solid solution increases to x = 0.75, the oxidation resistance decreases. The following characteristics have been exhibited by the material containing 89 wt % Ti₃AlC₂ (the rest being Al₂O₃ and TiC) having density 99% of theoretical: bending strength Rbm = 500 MPa, compressive strength Rcm = 700 MPa, fracture toughness KIc = 10.2 MPa⋅m0.5, hardness HRA = 70 GPa, HV = 4.6 GPa, Young modulus 149.4±28.7 GPa. After sintering with diamonds or cBN (50 wt %) at 5.5–7.7 GPa and 1350–1960 °C for 0.07–1.0 h the Ti₃AlC₂ MAX phase decomposes to form TiС and TiAl or TiB₂ and a thin layer of Al₄C₃ forms at the interface with diamond. The Al₄C₃ decomposition in a composite material due to the interaction with the air moisture results in the crack initiation along the diamond perimeter, which brings about the material fracture in 1–2 weeks. It has been found that the Ti₃AlC₂ powder is efficient for polishing natural and synthetic jewelry crystals and competitive in polishing efficiency and quality with ACM 2/1 grade diamond.