Microwave assisted self-propagating high-temperature synthesis of Ti2AlC MAX phase

• Autorzy: Koniuszewska A. , Naplocha K.

Warianty tytułu

PL

Wspomagana mikrofalami samorozprzestrzeniająca się wysokotemperaturowa synteza fazy Ti2AlC typu MAX

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A novel manufacturing method of Ti2AlC MAX phases with TiC carbides was elaborated. Compacted from elemental powders, the samples were heated and synthesized in a microwave field under atmospheric pressure. Microwave radiation selectively heats the reactant particles, though additional SiC support was required. Graphite can be classified as a good absorber whereas in Al, Ti metallic particle electric eddy currents are induced only on the surface. Microwaves heat material from the inside to the outside and usually concentrate on the interface between materials with a different dielectric loss factor. Therefore, it is possible to induce and conduct the reaction, on the microscale, at metal-ceramic or even metal-metal contact points. Energy was transferred from the magnetron through the waveguide and after a few seconds synthesis began and spread to the entire volume of the cylindrical sample. The initiated SHS synthesis first proceeded with the formation of Al-Ti intermetallic and TiC precipitates whose highly exothermic reactions resulted in a significant increase in temperature to ca. 1600°C. Next, these phases are almost completely transformed into plate-like Ti-Al-C MAX phases forming a porous structure of the samples. Such materials can be ideal for components working in extreme conditions (heat exchangers, catalyst substrates, filters) or for composite reinforcing.

PL

Opracowano metodę wytwarzania MAX faz typu Ti2AlC zawierającej wtrącenia węglików TiC. W celu zainicjowania syntezy wypraskę z proszków nagrzewano w polu mikrofalowym pod ciśnieniem atmosferycznym. Promieniowanie mikrofalowe selektywnie nagrzewa proszki substratów, jednakże zastosowano dodatkowo podkładkę wykonaną z SiC, która pełniła rolę absorbera. Grafit jest uważany za materiał dobrze pochłaniający energię mikrofalową, natomiast na powierzchni drobnych cząstek metalicznych Al, Ti są indukowane prądy elektryczne, co przy określonej oporności skutkuje wzrostem temperatury. Mikrofale nagrzewają materiał od wewnątrz i często koncentrują się na styku pomiędzy materiałami o różnym współczynniku strat dielektrycznych. W związku z tym możliwe jest indukowanie i kontrolowanie reakcji na styku cząstek metal-ceramika czy nawet metal-metal. Energia mikrofalowa była przenoszona z magnetronu, za pomocą falowodu, do komory procesowej, aby po kilku sekundach uruchomić syntezę SHS, która rozprzestrzeniała się w całej objętości cylindrycznej próbki. Po zainicjowaniu reakcji powstawały związki międzymetaliczne typu Ti-Al oraz węgliki TiC, co wydzielało znaczne ilości ciepła, powodując wzrost temperatury do ok. 1600°C. Następnie, związki te prawie całkowicie przekształcają się w płytkowe Ti-Al-C MAX fazy, które w makroskali tworzą porowatą strukturę próbki. Materiały takie mogą być wykorzystane na elementy pracujące w ekstremalnych warunkach (wymienniki ciepła, katalizatory, filtry) lub jako umocnienie materiałów kompozytowych.

Słowa kluczowe

EN

MAX phases; SHS synthesis; microwave; porous structure

PL

fazy MAX; synteza SHS; mikrofale; porowata struktura

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 16, nr 2
• Strony: 109--112
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Koniuszewska A.

• Wrocław University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation, ul. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

autor

Naplocha K.

• Wrocław University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation, ul. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Anasori B., Caspi E.N., Barsoum M.W., Fabrication and mechanical properties of pressureless melt infiltrated magnesium alloy composites reinforced with TiC and Ti2AlC particles, Materials Science & Engineering A 2014, 618, 511-522.
• [2] Bai Y., Zhang H., He X., Zhu C., Wang R., Sun Y., Chen G., Xiao P., Growth morphology and microstructural characterization of nonstoichiomeric Ti2AlC bulk synthesized by self-propagation high temperature combustion synthesis with pseudo hot isostatic pressing, Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials 2014, 45, 58-63.
• [3] Bai Y., He X., Wang R., Sun Y., Zhu, C., Wang S., Chen G., High temperature physical and mechanical properties of large-scale Ti2AlC bulk synthesized by self-propagation high temperature combustion synthesis with pseudo hot isostatic pressing, Journal of the European Ceramic Society 2013, 33, 2435-2445.
• [4] Pampuch R., Lis J., Stobierski L., Tymkiewicz M., Solid combustion synthesis of Ti3SiC2, Journal of the European Ceramic Society 1989, 5, 283-287.
• [5] Chlubny L., Lis J., Bucko M., Densification of SHS obtained Ti2AlC active precursor powder by hot pressing method, Ceramic Transactions 2015, 252, 205-212.
• [6] Chlubny L., Lis J., Chabior K., Chachlowska P., Kapusta C., Processing and properties of MAX phases - based materials using SHS technique (Wytwarzanie oraz właściwości tworzyw typu MAX otrzymywanych za pomocą techniki SHS), Archives of Metallurgy and Materials 60, 2015, 879-863.
• [7] Wang X.H., Zhou Y.C., Layered machinable and electrically conductive Ti2AlC and Ti3AlC2 ceramics: a review, Journal of Materials Science and Technology 2010, 26(5), 385-416.
• [8] Yeh C.L., Shen Y.G., Combustion synthesis of Ti3AlC2 from Ti/Al/C/TiC powder compacts, Journal of Alloys and Compounds 2008, 466, 308-313.
• [9] He X., Bai Y., Li Y., Zhu C., Kong X., In situ synthesis and mechanical properties of bulk Ti3SiC2/TiC composites by SHS/PHIP, Materials Science and Engineering A, 2010, 527, 4552-4559.
• [10] Hendaoui A., Andasmas M., Amara A., Benaldjia A., Langlois P., Vrel D., SHS of high-purity MAX compounds in the Ti-Al-C system, International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis 2008, 18, 2, 129-135.
• [11] Thomas T., Bowen C.R., Thermodynamic predictions for the manufacture of Ti2AlC MAX-phase ceramic by combustion synthesis, Journal of Alloys and Compounds 2014, 602, 72-77.
• [12] Khoptiar Y., Gotman I., Ti2AlC ternary carbide synthesizes by thermal explosion, Materials Letters 2002, 57, 72-76.
• [13] Bazhin P.M., Stolin A.M., SHS Extrusion of materials based on the Ti-Al-C MAX phase, Chemical Technology 2011, 237-239.
• [14] Godlewska E., Mars K., Mania R., Zimowski S., Combustion synthesis of Mg2Si, Intermetallics 2011, 19, 1983-1988.
• [15] Naplocha K., Materiały kompozytowe umacniane preformami wytworzonymi w procesie wysokotemperaturowej syntezy w polu mikrofalowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
• [16] Shinobu Hashimoto, Noriko Nishina, Kiyoshi Hirao, Yuji Iwamoto, Hideki Hyuga, Yuji Iwamoto, Formation mechanism of Ti2AlC under the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) mode, Materials Research Bulletin 2012, 47(5), 1164-1168.
• [17] Hendaoui A., Vrel D., Amara A., Langlois P., Andasmas M., Guerioune M., Synthesis of high-purity polycrystalline MAX phases in Ti-Al-C system through mechanically activated self-propagating high temperature synthesis, Journal of European Ceramic Society 2010, 30, 1049-1057.
• [18] Yeh C.L., Shen Y.G., Effects of TiC and Al4C3 addition on combustion synthesis of Ti2AlC, Journal of Alloys and Compounds 2009, 470, 424-428.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.