Structural-phase evolution during in situ mechanochemical synthesis of titanium carbide in a nickel matrix

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The structural and phase evolution of powders in a Ni–Ti–C ternary system with 50 wt % Ni during mechanochemical synthesis in an AGO-2 planetary ball mill was studied using X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy. The formation of titanium carbide in the presence of nickel was found to be accelerated, and proceeds in a mechanically stimulated reaction mode with an induction period of less than two minutes. The value of the nickel lattice parameter was observed to increase up to 0.35733 nm with increasing mechanical activation time. The products of mechanochemical synthesis, subjected to four minutes of mechanical activation, are titanium carbide, a solid solution of titanium and carbon in nickel, and iron (approximately 1 wt %, resulting from milling) with agglomerate sizes of 1–30 μm.

Full Text

Restricted Access

About the authors

T. F. Grigoreva

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090

D. V. Dudina

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090; Novosibirsk, 630090

T. M. Vidyuk

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090; Novosibirsk, 630090

S. A. Kovaleva

The Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

Email: grig@solid.nsc.ru
Belarus, Minsk, 220072

A. V. Ukhina

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090

E. T. Devyatkina

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090

S. V. Vosmerikov

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090

N. Z. Lyakhov

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: grig@solid.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630090

References

  1. Григорьева Т.Ф., Петрова C.А., Ковалева С.А., Дудина Д.В., Батраев И.С., Киселева Т.Ю., Жолудев С.И., Восмериков С.В., Девяткина Е.Т., Удалова Т.А., Поляков С.Н., Ляхов Н.З. Механохимический синтез порошков сплавов системы Cu–Al и их консолидация методом электроискрового спекания // ФММ. 2021. Т. 122. № 7. С. 729–736
  2. Григорьева Т.Ф., Дудина Д.В., Петрова С.А., Ковалева С.А., Батраев И.С., Восмериков С.В., Девяткина Е.Т., Ляхов Н.З. Композиты с алюминиевой матрицей, упрочненные частицами Cu9Al4: механохимический синтез и консолидация методом электроискрового спекания // ФММ. 2021. Т. 122. № 8. С. 824–830.
  3. Григорьева Т.Ф., Ковалева С.А., Квашнин В.И., Петрова С.А., Девяткина Е.Т., Восмериков С.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Оловянная бронза, упрочненная частицами Cu9Al4: механохимический синтез и консолидация методом спекания под давлением // ФММ. 2023. Т. 124. № 1. С. 61–67.
  4. Волков А.Ю., Калонов А.А., Завалишин В.А., Глухов А.В., Комкова Д.А., Антонов Б.Д. Влияние интерфейсов на физико-механические свойства Cu/Mg-композитов // ФММ. 2020. Т. 121. № 6. С. 628–634.
  5. Дерягина И.Л., Попова Е.Н., Валова-Захаревская Е.Г., Патраков Е.И. Структура и термическая стабильность высокопрочного композита Cu-18Nb в зависимости от степени деформации // ФММ. 2018. Т. 119. № 1. С. 99–108.
  6. Григорьева Т.Ф., Киселева Т.Ю., Петрова C.А., Талако Т.Л., Восмериков С.В., Удалова Т.А., Девяткина Е.Т., Новакова А.А., Ляхов Н.З. Механохимически стимулированные реакции восстановления оксида железа алюминием // ФММ. 2021. Т. 122. № 6. С. 614–620.
  7. Григорьева Т.Ф., Талако Т.Л., Девяткина Е.Т., Восмериков С.В., Анчаров А.И., Цыбуля С.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Модифицирование меди оксидом алюминия в ходе механически стимулированной реакции // ФММ. 2023. Т. 124. № 1. С. 78–83.
  8. Jõeleht M., Pirso J., Juhani K., Viljus M., Traksmaa R. The formation of reactive sintered (Ti, Mo)C–Ni cermet from nanocrystalline powders // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. V. 43. P. 284–290.
  9. Jing W., Yisan W. In-situ production of Fe–TiC composite // Mater. Lett. 2007. V. 61. P. 4393–4395.
  10. Chicardi E., Córdoba J.M., Sayagués M.J., Gotor F.J. Inverse core–rim microstructure in (Ti, Ta)(C, N)- based cermets developed by a mechanically induced self-sustaining reaction // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2012. V. 31. P. 39–46.
  11. Григорьев О.Н., Фролов Г.А., Евдокименко Ю.И., Кисель В.М., Панасюк А.Д., Мелах Л.М. Ультравысокотемпературная керамика для авиационно-космической техники // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 8. С. 119–127.
  12. Нагараджа Ч. Реддиa, Аджай Кумарa Б.С., Редаппа Х.Н., Рамеш М.Р., Правееннатх Г. Коппад. Микроструктура, микротвердость и характеристики окисления Ni3Ti и Ni3Ti + (Cr3C2 + 20NiCr) покрытий, полученных методом высокоскоростного газопламенного напыления // ФММ. 2020. Т. 121. № 2. C. 179–189
  13. Dudina D.V., Grigoreva T.F., Devyatkina E.T., Vosmerikov S.V., Ukhina A.V., Markushin V.V., Lyakhov N.Z. Structural features of tantalum carbide-copper composites obtained by liquid phase-assisted spark plasma sintering // Ceramics International. 2022. V.48. Is. 21. P. 32556–32560.
  14. Zhu G., Wang W., Wang R., Zhao C., Pan W., Huang H., Du D., Wang D., Shu D., Dong A., Sun B., Jiang S. and Pu Y. Formation Mechanism of Spherical TiC in Ni-Ti-C System during Combustion Synthesis // Materials. 2017. V. 10. P. 1007.
  15. Zhao Z., Zheng K., Yu X., Wang L., Yao S., Qi Q. Effect of particles size of TiC on oxidation resistance of in-situ TiC/Ni composite // Heliyon. 2023. V. 9. e18220.
  16. Walunj G., Bearden A., Patil A., Larimian T., Christudasjustus J., Gupta R.K. and Borkar T. Mechanical and Tribological Behavior of Mechanically Alloyed Ni-TiC Composites Processed via Spark Plasma Sintering // Materials. 2020. V. 13. P. 5306.
  17. Zohari S., Sadeghian Z., Lotfi B., Broeckmann C. Application of spark plasma sintering (SPS) for the fabrication of in situ Ni-TiC nanocomposite clad layer // J. Alloys Compd. 2015. V. 633. P. 479–483.
  18. Tschakarov C.G., Gospodinov G.G., Bontschev Z. Über den mechanismus der mechanochemische synthese anorganisher verbindungen // J. Solid State Chem. 1982. V. 41. N 3. P. 244–252.
  19. Schaffer G.B., McCormick P.G. Combustion synthesis by mechanical alloying // Scripta Met. 1989. V. 23. No. 6. P. 835–838.
  20. Munir Z., Anselmi-Tamburini V. Self-Propagating Exothermic Reactions: The Synthesis of High-Temperature Materials by Combustion // Mater. Sci. Rep. 1989. V. 3. P. 277–365.
  21. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 303 с.
  22. Щукин Е.Д., Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. О распространении жидких металлов по поверхности металлов в связи с адсорбционным эффектом понижения прочности // Коллоид. журн. 1963. Т. 25. № 2. С. 253–259.
  23. Deidda C., Doppiu S., Monagheddu M., Cocco G. A direct view of self-combustion behavior of the TiC system under milling // J. Metastable Nanocryst. Mater. 2003. V. 15–16. P. 215–220.
  24. Deidda C., Delogu F., Cocco G. In situ characterisation of mechanically induced self-propagating reactions // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. No. 16–17. P. 5315–5318.
  25. Yang Y.F., Jin S.B., Jiang Q.C. Effect of reactant C/Ti ratio on the stoichiometry, morphology of TiCx and mechanical properties of TiCx-Ni composite // Cryst. Eng. Comm. 2013. V. 15. N 5. P. 852–855.
  26. Куранова Н.Н., Макаров В.В., Пушин В.Г. Атомная структура сплава Ti2NiCu после интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением и термообработки // ФММ. 2023. Т. 124. № 12. С. 1253–1260.
  27. Чувильдеев В.Н. Теория неравновесных границ зерен и ее приложения для описания нано и микрокристаллических материалов // Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2010. № 5(2). С. 124–131.
  28. Teresiak A., Kubsch H. X-ray investigations of high-energy ball milled transition metal carbides // Nanostruct. Mater. 1995. V. 6. P. 671–674.
  29. Matteazzi P., Le Caër G. Room temperature mechanosynthesis of carbides by grinding of elemental powders // J. Am. Ceram. Soc. 1991. V. 6. P. 1382–1390.
  30. Rahaei M.B., Yazdani rad R., Kazemzadeh A., Ebadzadeh T. Mechanochemical synthesis of nano TiC powder by mechanical milling of titanium and graphite powders // Powder. Technol. 2012. V. 217. P. 369–376.
  31. Liu Z.G., Guo J.T., Ye L.L., Li G.S., Hu Z.Q. Formation mechanism of TiC by mechanical alloying // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65. P. 2666–2668.
  32. Xiong H., Li Z., Gan X., Chai L., Zhou K. High-energy ball-milling combined with annealing of TiC powders and its influence on the microstructure and mechanical properties of the TiC-based cermets // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 694. P. 33–40.
  33. Jia H., Zhanga Z., Qia Z., Liub G., Biana X. Formation of nanocrystalline TiC from titanium and different carbon sources by mechanical alloying // J. Alloys Compd. 2009. V. 472. P. 97–103.
  34. Jam A., Nikzad L., Razavi M. TiC-based cermet prepared by high-energy ball-milling and reactive spark plasma sintering // Ceram. Int. 2017. V. 43. P. 2448–2455.
  35. El-Eskandarany M.S. Synthesis of nanocrystalline titanium carbide alloy powders by mechanical solid-state reaction // Metall. Mater. Trans. A. 1996. V. 8. P. 2374–2382.
  36. Ghosha B., Pradhanb S.K. Microstructure characterization of nanocrystalline TiC synthesized by mechanical alloying // Mater. Chem. Phys. 2010. V. 120. P. 537–545.
  37. Lyakhov N., Grigoreva T., Šepelák V., Tolochko B., Ancharov A., Vosmerikov S., Devyatkina E., Udalova Т., Petrova S. Rapid mechanochemical synthesis of titanium and hafnium carbides // J. Mater. Sci. 2018. V. 53. Is. 19. P. 13584–13591.
  38. Диаграммы состояния двойных металлических систем / справ.: в 3 т. под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.
  39. Portnoi V.K., Leonov A.V., Mudretsova S.N., Fedotov S.A. Formation of nickel carbide in the course of deformation treatment of Ni-C mixtures // The Physics of Metals and Metallography. 2010. V. 109. Is. 2. P. 153–161.
  40. Задорожный В.Ю. Механохимический синтез систем Fe-Ti и Ni-Ti, устойчивость наноструктурного состояния / Дис. … к. т. н. МИСиС, 2008.
  41. Laugier J., Bochu B. LMGP-Suite of Programs for the interpretation of X-ray Experiments. ENSP. Grenoble: Lab. Materiaux genie Phys., 2003.
  42. DIFFRACplus: TOPAS. Bruker AXS GmbH, Ostliche. Rheinbruckenstraße 50, D-76187, Karlsruhe, Germany. 2006.
  43. Турчанин А.Г., Турчанин М.А. Термодинамика тугоплавких карбидов и карбонитридов. М.: Металлургия, 1991. 352 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffraction patterns of the 50(Ti+C)+50Ni mixture after MA for 40 s (1), 2 (2), 4 (3), 8 (4) and 20 min (5).

Download (20KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Formation of TiC depending on the duration of the MHS in mixtures of Ti+C (50:50 at.%) [28] (1) and Ni+Ti+C (2).

Download (14KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM images and MRSA results of 50(Ti+C) + 50Ni (wt.%) mixture particles after MA for: (a) 40 s, (b) 2 min and (c) 4 min.

Download (116KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. SEM images and MRSA results of the surface (a) and cross-section (b) of particles of the mixture 50(Ti+C) + 50Ni (wt.%) after MA for 8 min.

Download (85KB)
Indexing metadata