Исследование структуры и свойств сплавов внедрения TixMo1–xCyNz

Изучение кристаллической структуры и свойств многокомпонентных сплавов внедрения позволяет получать новые материалы с улучшенными свойствами. В работе представлены результаты исследования кристаллической структуры и микротвердости сплавов внедрения Ti_xMo_1–xC_yN_z в массивных образцах с различным соотношением концентраций составляющих элементов. Образцы, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, подвергали гомогенизирующему отжигу при 2600 К в течение 8 ч и охлаждали вместе с печью. С помощью нейтронографии выявлено, что сплавы имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру, в которой атомы Ti и Mo, а также C и N взаимозамещены и статистически расположены в позициях 4b и октаэдрических позициях 4a соответственно. Методом Ритвельда на рентгенограммах определены размеры кристаллитов, плотности дислокаций и микронапряжения. Микротвердость образцов определяли методом Виккерса. Показано, что размеры кристаллитов, определенные методами Вильямсона – Холла и Шеррера, существенно отличаются, но закономерности роста размера кристаллитов, плотности дислокаций и микронапряжений с увеличением в составах концентраций компонентов совпадают. С повышением содержания углерода в сплаве уменьшаются размеры кристаллитов и микронапряжения, а плотность дислокаций увеличивается. Установлено, что чем меньше размер кристаллитов и выше плотность дислокаций, тем больше микротвердость смещена в сторону увеличения содержания углерода. С изменением соотношения компонентов в Ti_xMo_1–xC_yN_z по мере уменьшения размера кристаллитов, микронапряжений и увеличения плотности дислокаций микротвердость сплава растет в 1,5 – 2 раза по сравнению с бинарным карбидом и нитридом титана. Полученные результаты могут быть использованы при применении сплавов внедрения в инструментальной и высокотемпературной технике.

1. Chung H. J., Shim J. H., Lee D. N. Thermodynamic evaluation and calculation of phase equilibria of the Ti-Mo-C-N quaternary system / Journal of Alloys and Compounds. 1999. Vol. 282. P. 142 – 148. DOI: 10.1016/S0925-8388(98)00711-7

2. Mari D., Bolognini S., Feusier G., et al. Ti-Mo-C-N based cermets. Part II. Microstructure and room temperature mechanical properties / Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 2003. Vol. 21. P. 47 – 53. DOI: 10.1016/S0263-4368(03)00011-8

3. Bolognini S., Feusier G., Mari D., et al. Ti-Mo-C-N-based cermets: high-temperature deformation / Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 2003. Vol. 21. P. 19 – 29. DOI: 10.1016/S0263-4368(02)00091-4

4. Rodriguez N., Sanchez J. Effect of presintering treatments on Ti-Mo-C-N-Ni based cermets processed from different powder mixtures / Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 164 – 172. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.06.006

5. Toyoda T, Sutou Y., Komiyama Sh., et al. Hardness and Wear Properties of Ti-Mo-C-N Film / Mater. Trans. 2016. Vol. 57. N 3. P. 362 – 367. DOI: 10.2320/matertrans.M2015383

6. Yi B., Zhou Sh., Qiu Z., et al. The influences of pulsed bias duty cycle on tribological properties of solid lubricating Ti-Mo-C-N coatings / Vacuum. 2020. Vol. 180. P. 109552. DOI: 10.1016/j.vacuum.2020.109552

7. Desai K. R., Alone S. T., Wadgane S. R., et al. X-ray diffraction based Williamson – Hall analysis and rietveld refinement for strain mechanism in Mg-Mn co-substituted CdFe2O4 nanoparticles / Phys. B. 2021. Vol. 614. P. 413054. DOI: 10.1016/j.physb.2021.413054

8. Izumi F., Ikeda T. Implementation of the Williamson – Hall and Halder – Wagner Methods into RIETAN-FP / Annual report Advanced Ceramics Research Center Nagoya Institute of Technology. 2015. Vol. 3. P. 33 – 38. DOI: id.nii.ac.jp/1476/00002383

9. Williamson G. K., Hall W. H. X-ray line broadening from filled aluminum and wolfram / Acta Metallurg. 1953. Vol. 1. P. 22 – 31. DOI: 10.1016/0001-6160(53)90006-6

10. Volkov V. A., Yelkin I. A., Chulkina A. A. Study of the Grain and Dislocation Structure of Nanostructured Mechanically Alloyed Model Carbon Steels Using CMWP-Method / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2016. Vol. 82. N 5. P. 33 – 38 [in Russian].

11. Withers P. J. Depth capabilities of neutron and synchrotron diffraction strain measurement instruments. II. Practical implication / J. Appl. Crystallogr. 2004. Vol. 37. P. 607 – 612. DOI: 10.1107/S0021889804012750

12. Rietveld H. M. Line profiles of neutron powder-diffraction peaks for structure refinement / Acta Crystallogr. 1967. Vol. 22. P. 151 – 152. DOI: 10.1107/s0365110x67000234

13. Gabbasov R. M., Salamatov V. G. Features of the thermal structure of reaction waves in the Ti-Mo-N2 system / J. Phys. Conf. Ser. 2020. 1459. P. 012012. DOI: 10.1088/1742-6596/1459/1/012012

14. Khidirov I., Rakhmanov S., Parpiev A. Neutron diffraction study of the Ti1–xMoxCy alloy / J. Phys. Conf. Ser. 2022. 2155. P. 012010. DOI: 10.1088/1742-6596/2155/1/012010

15. Carvajal R., Resent J. Developments of the Program Fullprof, in Commission on Powder Diffraction (IUCr) / Newsletter. 2001. Vol. 26. P. 12 – 19.

16. Lipson G., Steeple G. Interpretation of X-ray Powder Diffraction Patterns. — MacMillan, 1970. — 344 p.

17. Cardinal S., Malchère A., Garnier V., et al. Microstructure and mechanical properties of TiC-TiN based cermets for tools application / Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 521 – 527. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.10.006

18. Gomathia M., Rajkumarb P., Prakasam A. Study of dislocation density (defects such as Ag vacancies and interstitials) of silver nanoparticles, green-synthesized using Barleriacristata leaf extract and the impact of defects on the antibacterial activity / Results Phys. 2018. Vol. 10. P. 858 – 864. DOI: 10.1016/j.rinp.2018.08.011

19. Yao K., Min X. Static and dynamic Hall-Petch relations in {332}<113> TWIP Ti-15Mo alloy / Mater. Sci. Eng. A. 2021. Vol. 827. P. 142044. DOI: 10.1016/j.msea.2021.142044