РАСПЛАВЫ

4 · 2019

УДК 669.715

ОСОБЕННОСТИ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИТАНА

В ПРИСУТСТВИИ ОКСИДОВ ТАНТАЛА И ВАНАДИЯ

С. В. Жидовинова^a, Е. В. Никитина^{b, c}

^aИнститут металлургии УрО РАН, Екатеринбург, Россия

^bУральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия

^cИститут высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Екатеринбург, Россия

*e-mail: elarisa100@mail.ru

Поступила в редакцию 26.07.2018

После доработки 02.08.2018

Принята к публикации 15.08.2018

Выполнено теоретическое и экспериментальное моделирование процессов сов"

местного алюминотермического восстановления титана и тантала, титана и ванадия

из их пентаоксидов. Установлена последовательность и особенности образования

соединений в системах Al-TiO₂-Ta₂O₅ и Al-TiO₂-V₂O₅.

Ключевые слова: сплав, алюминотермическое восстановление, интерметаллические

соединения, фазообразование.

DOI: 10.1134/S0235010619040133

ВВЕДЕНИЕ

Востребованность интерметаллидных сплавов на основе титана и алюминия в про"

мышленности обусловлена их высокой коррозионной стойкостью, повышенными ме"

ханическими и технологическими свойствами. Легирование базового состава сплава

системы Ti-Al тугоплавкими металлами V подгруппы периодической системы хими"

ческих элементов Д.И. Менделеева позволит расширить диапазон их технико"эконо"

мических показателей, таких как жаропрочность, жаростойкость, предел текучести

сплавов, устойчивость к агрессивным средам применения.

Алюминотермическое восстановление является широко применяемым видом полу"

чения титановых лигатур и сплавов [1, 2]. Эффективность реализации процесса легиро"

вания сплава может быть определена по содержанию в конечном продукте заданного

целевого компонента. Для достоверного моделирования протекания сложных металло"

термических процессов используют как расчетные методы, так и экспериментальные.

В более ранних работах [3-6] описаны особенности взаимодействия оксида титана

и алюминия и обогащения их металлами V, VI, VIII групп и гадолинием. Отмечено,

что общей закономерностью при восстановлении алюминием титана из его диоксида

на начальной стадии процесса является образование монооксида титана TiO. При

дальнейшем повышении температуры наблюдается образование различных интерме"

таллических соединений в зависимости от состава исходной шихты и введения леги"

рующих элементов. Целью настоящей работы является моделирование процесса фа"

зообразования в шихте на основе Ti и Al при введении пентаоксидов тантала и вана"

дия, выявления особенностей протекания процесса.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для экспериментального определения эволюции фазовых превращений при вос"

становлении титана из шихты, обогащенной оксидом тантала или оксидом ванадия:

44Al-50TiO₂-6Ta₂O₅; 44Al-50TiO₂-6V₂O₅(мас. %), использовали метод дифференци"

Особенности алюминотермического восстановления титана

369

Al₃Ti

TiAl

Al₃Ta

Содержание Ta₂O₅, кг

100

AlTi

Al₃V

Al₃Ti

Содержание V₂O₅, кг

Рис. 1. Зависимость равновесного состава фаз от расхода восстановителя в системах (а) 44Al-50TiO₂-

6Ta₂O₅; (б) 44Al-50TiO₂-6V₂O₅(мас. %).

альной сканирующей калориметрии (ДСК), совмещенный с методом термогравимет"

рии (ТГ).

Опыты проводили на приборе синхронного термического анализа STA 449 F3 Jupi"

ter (NETZSCH). Температурная программа обеспечила нагрев шихт от комнатной

температуры до 1450°С со скоростью 5°/мин в атмосфере аргона, расход газа состав"

лял 30 мл/мин. Рентгенофазовый анализ продуктов восстановления выполнен с помо"

щью дифрактометра XRD"7000 (Shimadzu) с автоматическим программным управле"

нием, в CuK_α"излучении. Идентификация рентгенограмм проведена на основе карто"

чек JCPDS (International Centre For Diffraction Data) и ASTM (American Society for

Testing and Materials).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Наиболее рациональным способом прогнозирования закономерностей взаимодей"

ствия составляющих компонентов шихт, на наш взгляд, является термодинамическое

моделирование, которое проведено с использованием программного пакета HSC"6.1

[7]. Расчеты выполнены для интервала температур 30-1500°С и давления 1 атм. Осно"

вываясь на результатах моделирования для шихты Al : TiO₂= 1 : 1, представленных в

[6] и для шихт с легированием танталом и ванадием (рис. 1, 2) можно прогнозировать

образование соединений AlTi, Al₃Ti, Al₂O₃, оксидов титана и ванадия.

Особенности алюминотермического восстановления титана

371

ДСК, мВт/мг

ТГ, %

124.79%

125

экзо

116.61%

120

115

663.7°C

110

664.6°C

659.4°C

ДСК № 2

ДСК № 3

916.6°C

105

1190.9°C

ДСК № 1

885.9°C

1312.0°C

5.35%

-0.40%

ТГ № 3

100

1403.3°C

-1

ТГ № 1

ТГ № 2

1.83%

102.59%

200

400

600

800

1000

1200

1400

Температура, °C

Рис. 3. Кривые ТГ и ДСК при нагреве шихты (1) 50Al-50TiO₂; (2) 44Al-50TiO₂- 6Ta₂O₅;(3) 44Al-50TiO₂-

6V₂O₅(мас. %).

Алюминий взаимодействует с TiO₂ с образованием интерметаллических соедине"

ний общей формулы Al_xTi_y, проходя через стадию образования монооксида титана.

Эти данные подтверждаются результатами дифференциально"термического (рис. 3) и

рентгенофазового анализов (РФА) (рис. 4). При замене части диоксида титана на ок"

сиды тантала и ванадия по данным термодинамического моделирования возможно

образование интерметаллидов Al₃Ta и Al₃V. Термограммы дифференциально"термиче"

ского анализа демонстрируют наличие эффектов в пиком 1312°С (для системы содер"

жащей оксида тантала) и 1403.3°С (для системы включающей оксид ванадия) свиде"

тельствующие об образовании Al₃(Ta,Ti) и Al₃(Ti_0.8V_0.2), соответственно. Несмотря на

похожесть диаграмм состояния систем Al-Ti, Al-Ta и Al-V [8] наблюдается суще"

ственное отличие в кинетике образования интерметаллического соединения. Вероят"

ной причиной этого является разная реакционная способность оксидов тантала и ва"

надия при взаимодействии с восстановителем - алюминием. Дополнительно по дан"

ным РФА в обеих системах фиксируется наличие рефлексов Al₂O₃, TiO₂. Заметные

изменения массы образцов в температурном интервале 850-1000°С, совпадающие с

эффектами на кривых ДСК, показывают окисление образцов, приводящее к образо"

ванию сложных оксидов тантала и ванадия на основе оксидов титана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлена эволюция образования оксидных и металлических соединений при

термическом восстановлении алюминием титана и тантала из их оксидов. Отмечено

различие в кинетике образования интерметаллических соединений в системах.

Работа выполнена в рамках Государственного задания ИМЕТ УрО РАН, с привлече"

нием оборудования ЦКП “Урал"М”.

Особенности алюминотермического восстановления титана

373

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A n d r e e v D . E . , S a n i n V. N . , Yu k h v i d V. I . SVS Metallurgy of titanium aluminides //

Int. J. SHS. 2005. 14. № 3. P. 219-234.

2. Н а п а л к о в В . И . , М а х о в С . В . Легирование и модифицирования алюминия и

магния Москва: МИСИС, 2002.

3. К р а с и к о в С . А . , Н а д о л ь с к и й А . Л . , П о н о м а р е н к о А . А . ,

Ситникова О.А., Жидовинова С.В. Металлотермическое получение сплавов

титан"алюминий в контролируемых температурных условиях // Цветные металлы. 2012. № 6.

С. 68-71.

4. K rasikov S .A ., Z hilina Ye .M ., P ichkaleva O .A ., Ponom arenko A .A .,

Ve d m i d ’ L . B . , Z h i d ov i n ova S . V., C h e n t s ov V. P. Effect of the intermetallic com"

pound composition of the character of interphase interactions during aluminothermic coreduction of

titanium, nickel, and molybdenum from their oxides // Russian Metallurgy. 2016. № 8. P. 771-775.

5. О с и н к и н а Т. В . , К р а с и к о в С . А . , Ж и л и н а Е . М . , А г а ф о н о в С . Н . ,

Ведмидь Л.Б., Жидовинова С.В. Влияние ниобия и тантала на особенности фазо"

образования при металлотермическом взаимодействии алюминия с диоксидом титана // Рас"

плавы. 2018. № 5. С. 553-560.

6. Ve d m i d ’ L . B . , Z h i l i n a Ye . M . , K r a s i k o v S . A . , M e r k u s h e v A . G . Experi"

mental evaluation of the interaction of titanium and gadolinium oxides with aluminum // Russian

Metallurgy. 2018. № 8. P. 787-791.

7. R o i n e A . Outokumpu HSC chemistry for Windows. Chemical reaction and equilibrium soft"

ware with extensive thermochemical Database. Pori: Outokumpu research OY, 2006.

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: Т. 1 / Под ред.

Н.П. Лякишева М.: Машиностроение, 1996.

Features of the Aluminothermal Restoration of Titanium in the Presence

of Tantal and Vanadium Oxides

L. B. Vedmid^{1, 2}, E. M. Zhilina¹, T. V. Osinkina¹, S. A. Krasikov¹,

S. V. Zhidovinova¹, E. V. Nikitina^{2, 3}

¹Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, Russia

²Ural federal university, Yekaterinburg, Russia

³Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,

Yekaterinburg, Russia

Theoretical and experimental modeling of the joint aluminothermic reduction of titani"

um and tantalum, titanium and vanadium from their pentooxides has been performed. The

sequence and features of the formation of compounds in the systems Al-TiO₂-Ta₂O₅ and

Al-TiO₂-V₂O₅ are established.

Keywords: alloy, aluminothermic reduction, intermetallic compounds, phase formation

REFERENCES

1. Andreev D.E., Sanin V.N., Yukhvid V.I. SVS Metallurgy of titanium aluminides // Int. J. SHS.

2005. 14. № 3. P. 219-234.

2. Napalkov V.I., Mahov S.V. Legirovanie i modificirovanija aljuminija i magnija [Doping and

Modifying Aluminum and Magnesium] M.: MISIS. 2002 (in Russian).

3. Krasikov S.A., Nadol'skij A.L., Ponomarenko A.A., Sitnikova O.A., Zhidovinova S.V. Metallo"

termicheskoe poluchenie splavov titan"aljuminij v kontroliruemyh temperaturnyh uslovijah [Metal"

thermal production of titanium"aluminum alloys in controlled temperature conditions] // Tsvetnye

metally. 2012. № 6. Р. 68-71 (in Russian).

4. Krasikov S.A., Zhilina Ye.M., Pichkaleva O.A., Ponomarenko A.A., Vedmid’ L.B., Zhidovinova S.V.,

Chentsov V.P. Effect of the intermetallic compound composition of the character of interphase inter"

actions during aluminothermic coreduction of titanium, nickel, and molybdenum from their oxides //

Russian Metallurgy. 2016. № 8. P. 771-775.

374

Л. Б. Ведмидь, Е. М. Жилина, Т. В. Осинкина, С. А. Красиков и др.

5. Osinkina T.V., Krasikov S.A., Zhilina E.M., Agafonov S.N., Vedmid’ L.B., Zhidovinova S.V.

Vliyaniye niobiya i tantala na osobennosti fazoobrazovaniya pri metallotermicheskom vzaimodeystvii

alyuminiya s dioksidom titana [Effect of niobium and tantalum on the peculiarities of phase formation

during the metallothermic interaction of aluminum with titanium dioxide] // Rasplavy. 2018. № 5.

Р. 553-560 (in Russian).

6. Vedmid’ L.B., Zhilina Ye.M., Krasikov S.A., Merkushev A.G. Experimental evaluation of the

interaction of titanium and gadolinium oxides with aluminum // Russian Metallurgy. 2018. № 8.

Р. 787-791.

7. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reaction and equilibrium soft"

ware with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu Research OY, 2006.

8. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh sistem [State diagrams of double metallic

systems]: Spravochnik: T.1. / Pod red. N.P. Lyakisheva M.: Mashinostroyeniye, 1996 (in Russian).