Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University90010.18323/2782-4039-2023-4-66-9ArticlesСтатьиStructure and micromechanical properties of SHS composites with a copper matrix: peculiarities of formationСтруктура и микромеханические свойства СВС-композитов с медной матрицей: особенности формированияhttps://orcid.org/0000-0001-8015-8120PugachevaNataliya BorisovnaПугачеваНаталия Борисовна
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Associate Professor, chief researcher

доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник

nat@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8888-6410BykovaTatyana MikhailovnaБыковаТатьяна Михайловна
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

tatiana_8801@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8625-2310SenaevaEkaterina IgorevnaСенаеваЕкатерина Игоревна
Russian Federation

junior researcher

младший научный сотрудник

nata5-4@yandex.ruInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of RAS, YekaterinburgИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения РАН, Екатеринбург301220234991083012202330122023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/900

Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is one of the promising methods for producing strong and wear-resistant composites. The use of copper as a matrix due to the unique combination of electrical and thermal conductivity is of particular interest. Monolithic SHS composites of the Cu–Ti–C–B and Cu–Ti–C systems are currently little studied. The information on the phase composition of such composites is contradictory, and data on micromechanical properties is practically absent. The paper presents the results of a comparative analysis of the structure and micromechanical properties of composites of the Cu–Ti–C and Cu–Ti–C–B systems. It is found that the matrix of both composites is a copper-based solid solution supersaturated with titanium, in which nanosized Cu4Ti intermetallic compound particles precipitate upon cooling. TiC particles (Cu–Ti–C composite) and TiC and TiB2 particles (Cu–Ti–C–B composite) are the strengthening phases resulting from SHS. In the Cu–Ti–C–B composite, the original particles of unreacted B4C boron carbide were preserved, the microhardness of which was 3680 HV 0.1. The most ductile structural constituent in the Cu–Ti–B system composite is the Cu+Cu4Ti mechanical mixture, due to which further plastic deformation is possible to obtain parts of a given shape. During the study of micromechanical properties, the maximum strength indicators of HIT, HV, We, Re, HIT/E* were recorded in the Cu–Ti–C–B system composite, which allows expecting high wear resistance of products made of it.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является одним из перспективных способов получения прочных и износостойких композитов. Особый интерес представляет использование меди в качестве матрицы из-за уникального сочетания электро- и теплопроводности. Монолитные СВС-композиты системы Cu–Ti–C–B и Cu–Ti–C в настоящее время мало изучены. Сведения о фазовом составе таких композитов весьма противоречивы, а данные по микромеханическим свойствам практически отсутствуют. В работе представлены результаты сравнительного анализа структуры и микромеханических свойств композитов систем Cu–Ti–C и Cu–Ti–C–B. Установлено, что матрицей обоих композитов является пересыщенный титаном твердый раствор на основе меди, в котором при охлаждении выделяются наноразмерные частицы интерметаллида Cu4Ti. Упрочняющими фазами, образующимися в результате СВС, являются частицы TiC (композит Cu–Ti–C) и частицы TiC и TiB2 (композит Cu–Ti–C–B). В композите Cu–Ti–C–B сохранились исходные частицы непрореагировавшего карбида бора В4C, микротвердость которых составила 3680 HV 0,1. Наиболее пластичной структурной составляющей является механическая смесь Cu+Cu4Ti в композите системы Cu–Ti–B, за счет которой возможна последующая пластическая деформация с целью получения деталей заданной формы. При исследовании микромеханических свойств максимальные показатели прочности HIT, HV, Wе, Re, HIT/E* были зафиксированы в композите системы Cu–Ti–C–B, что позволяет ожидать высокую износостойкость изделий из него.

self-propagating high-temperature synthesismonolithic SHS compositescopper matrixstructural constituentsstrengthening phasesintermetallidestitanium carbidetitanium diboridemicromechanical propertieshardnessсамораспространяющийся высокотемпературный синтезмонолитные СВС-композитымедная матрицаструктурные составляющиеупрочняющие фазыинтерметаллидыкарбид титанадиборид титанамикромеханические свойстватвердостьThe research was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-29-00188 “The Development of Scientific and Technological Foundations for the Formation of Monolithic SHS Composites of the Cu–Ti–C–B System with Specified Functional Properties”, https://rscf.ru/project/22-29-00188/. The work was performed on the equipment of the “Plastometria” Core Facility Center of the Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. The paper was prepared on the reports of the participants of the XI International School of Physical Materials Science (SPM-2023), Togliatti, September 11–15, 2023.Исследования выполнены за счет гранта РНФ № 22-29-00188 «Разработка научных и технологических основ формирования монолитных СВС-композитов системы Cu–Ti–C–B с заданными функциональными свойствами», https://rscf.ru/project/22-29-00188/. Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования «Пластометрия» федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук. Статья подготовлена по материалам докладов участников XI Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2023), Тольятти, 11–15 сентября 2023 года.Levashov E.A., Rogachev A.S., Kurbatkina V.V., Maksimov Yu.M., Yukhvid V.I. Perspektivnye materialy i tekhnologii samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza [Promissory Materials and Processes of Self-Propagating High-Temperature Synthesis]. Moscow, MISiS Publ., 2011. 378 p.Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: МИСиС, 2011. 378 с.Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Goreniya dlya sinteza materialov [Combustions for synthesizing materials]. Moscow, FIZMATLIT Publ., 2012. 400 p.Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горения для синтеза материалов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 400 с.Amosov A.P., Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G. Poroshkovaya tekhnologiya samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza materialov [Powder technology of self-propagating high-temperature synthesis of materials]. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2007. 567 p.Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007. 567 с.Merzhanov A.G. Self-propagating high-temperature synthesis. Fizicheskaya khimiya. Sovremennye problemy. Moscow, Khimiya Publ., 1983, pp. 6–44.Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия. Современные проблемы. М.: Химия, 1983. С. 6–44.Latukhin E.I., Umerov E.R., Luts A.R. Self-propagating high-temperature synthesis of porous titanium carbide blanks for subsequent infiltration by melts. Zagotovitelnye proizvodstva v mashinostroenii, 2021, vol. 19, no. 7, pp. 322–330. DOI: 10.36652/1684-1107-2021-19-7-322-330.Латухин Е.И., Умеров Э.Р., Луц А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез заготовок пористого карбида титана для последующей инфильтрации расплавами // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. Т. 19. № 7. С. 322–330. DOI: 10.36652/1684-1107-2021-19-7-322-330.Korosteleva E.N., Korzhova V.V. Structure and phase composition of (TiB)-Ti metal matrix composites obtained by SHS and vacuum sintering. Russian Physics Journal, 2020, vol. 63, no. 7, pp. 1195–1201. DOI: 10.1007/s11182-020-02159-4.Коростелева Е.Н., Коржова В.В. Структура и фазовый состав металломатричных композитов (TiB) – Ti, полученных в процессе СВС и вакуумного спекания // Известия вузов. Физика. 2020. Т. 63. № 7. С. 81–87. DOI: 10.17223/00213411/63/7/81.Sitnikov A.A., Sobachkin A.V., Markov A.M. Peculiarities in formation of different functional coatings of SHS-mechano-composites using technologies of gas-detonation sputtering. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii, 2020, no. 2, pp. 22–28. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-2020-2-22-28.Ситников А.А., Собачкин А.В., Марков А.М. Особенности формирования различных функциональных покрытий из СВС-механокомпозитов с помощью технологии газодетонационного напыления // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 2. С. 22–28. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-2020-2-22-28.Fedotov A.F., Amosov A.P., Radchenko V.P. Modelirovanie protsessa pressovaniya poroshkovykh materialov v usloviyakh samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza [Modeling the Powder Material Compaction in Conditions of the Self-Propagating High-Temperature Synthesis]. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2005. 281 p.Федотов А.Ф., Амосов А.П., Радченко В.П. Моделирование процесса прессования порошковых материалов в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Машиностроение-1, 2005. 281 c.Kovalev D.Yu., Bolotskaya A.V., Mikheev M.V. Self-propagating high-temperature synthesis in the Ti–B–Fe system with AlN additions. Inorganic Materials, 2022, vol. 58, no. 9, pp. 922–930. EDN: UTUZNA.Ковалев Д.Ю., Болоцкая А.В., Михеев М.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti–B–Fe с добавкой AlN // Неорганические материалы. 2022. Т. 58. № 9. С. 956–964. EDN: TJQGMZ.Krivolutskiy K.S., Amosov A.P., Samboruk A.R. Self-propagating high-temperature sinthesis ultradispersed and nanosized the powder composition TiC–SiC and TiC–NbC. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki, 2016, no. 3, pp. 136–143. EDN: XVSVKB.Криволуцкий К.С., Амосов А.П., Самборук А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез ультрадисперсных и наноразмерных порошков композиций TiC–SiC и TiC–NbC // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2016. № 3. С. 136–143. EDN: XVSVKB.Shchukin A.S., Sytschev A.E. Peculiarities of a NiAl/Mo transition zone formed during self-propagating high-temperature synthesis. The Physics of Metals and Metallography, 2019, vol. 120, no. 9, pp. 848–852. DOI: 10.1134/S0031918X19090138.Щукин А.С., Сычёв А.Е. Особенности строения переходной зоны NiAl/Mo, сформированной в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Физика металлов и металловедения. 2019. Т. 120. № 9. С. 925–930. DOI: 10.1134/S0015323019090134.Lazarev P.A., Busurina M.L., Gryadunov A.N., Sytschev A.E., Boyarchenko O.D., Karpov A.V. structure and phase formation of a Ti–Al–Si based alloy prepared by self-propagating high-temperature synthesis compaction. Inorganic Materials, 2022, vol. 58, no. 9, pp. 1005–1010. EDN: QPVISC.Лазарев П.А., Бусурина М.Л., Грядунов А.Н., Сычев А.Е., Боярченко О.Д., Карпов А.В. Особенности структуры и фазообразования сплава на основе Ti–Al–Si, полученного методом СВС-компактирования // Неорганические материалы. 2022. Т. 58. № 9. С. 1039–1044. EDN: XTLFSK.Lazarev P.A., Busurina M.L., Sychev A.E. Self-propagating high-temperature synthesis in Ti–Al–Mn. Fizika goreniya i vzryva, 2023, vol. 59, no. 1, pp. 85–91. DOI: 10.15372/FGV20230109.Лазарев П.А., Бусурина М.Л., Сычёв А.Е. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti–Al–Mn // Физика горения и взрыва. 2023. Т. 59. № 1. С. 85–91. DOI: 10.15372/FGV20230109.Volkov A.Y., Patrakov E.I., Volkova E.G., Komkova D.A., Kalonov A.A., Glukhov A.V., Antonov B.D. Abnormally high strength and low electrical resistivity of the deformed Cu/Mg-composite with a big number of Mg-filaments. Materials & Design, 2020, vol. 185, article number 108276. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108276.Volkov A.Y., Patrakov E.I., Volkova E.G., Komkova D.A., Kalonov A.A., Glukhov A.V., Antonov B.D. Abnormally high strength and low electrical resistivity of the deformed Cu/Mg-composite with a big number of Mg-filaments // Materials & Design. 2020. Vol. 185. Article number 108276. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108276.Kim Ji Soon, Dudina D.V., Kim Jin Chun, Kwon Soon Young, Park Jin Ju, Rhee Chang Kyu. Properties of Cu-based nanocomposites produced by mechanically – activated self – propagating high – temperature synthesis and spark – plasma sintering. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2010, vol. 10, no. 1, pp. 252–257. DOI: 10.1166/jnn.2010.1523.Kim Ji Soon, Dudina D.V., Kim Jin Chun, Kwon Soon Young, Park Jin Ju, Rhee Chang Kyu. Properties of Cu-based nanocomposites produced by mechanically – activated self – propagating high – temperature synthesis and spark – plasma sintering // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2010. Vol. 10. № 1. P. 252–257. DOI: 10.1166/jnn.2010.1523.Oanh Nguyen Thi Hoang, Viet Nguyen-Hoang, Kim Ji Soon, Dudina D.V. Structural Investigation of TiC–Cu Nanocomposites Prepared by Ball Milling and Spark Plasma Sintering. Metals, 2017, vol. 7, no. 4, article number 123. DOI: 10.3390/met7040123.Oanh Nguyen Thi Hoang, Viet Nguyen-Hoang, Kim Ji Soon, Dudina D.V. Structural Investigation of TiC–Cu Nanocomposites Prepared by Ball Milling and Spark Plasma Sintering // Metals. 2017. Vol. 7. № 4. Article number 123. DOI: 10.3390/met7040123.Volkov A.Yu., Kalonov A.A., Komkova D.A. Effect of annealing on the structure, mechanical and electrical properties of Cu/Mg-composite wires. Materials Characterization, 2022, vol. 183, article number 111606. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111606.Volkov A.Yu., Kalonov A.A., Komkova D.A. Effect of annealing on the structure, mechanical and electrical properties of Cu/Mg-composite wires // Materials Characterization. 2022. Vol. 183. Article number 111606. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111606.Tsikarev V.G., Filippenkov A.A., Filippov M.A., Alabushev A.V., Sharapova V.A. Obtaining Ti–Cu–C system composite materials by SHS process. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalnye pokrytiya, 2021, vol. 15, no. 4, pp. 4–11. DOI: 10.17073/1997-308X-2021-4-11.Цикарев В.Г., Филиппенков А.А., Филиппов М.А., Алабушев А.В., Шарапова В.А. Опыт получения композиционных материалов системы Ti–Cu–C СВС-процессом // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021. Т. 15. № 4. С. 4–11. DOI: 10.17073/1997-308X-2021-4-11.Pugacheva N.B., Bykova T.M., Senaeva E.I., Nikolin Y.V. Structure and properties of a SHS Cu–Ti–C–B composite. The Physics of Metals and Metallography, 2022, vol. 123, no. 1, pp. 43–49. DOI: 10.1134/S0031918X22010100.Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Сенаева Е.И. Структура и свойства СВС-композита системы Cu–Ti–C–B // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. № 1. С. 47–54. DOI: 10.31857/S0015323022010107.Pugacheva N., Kryuchkov D., Bykova T., Vichuzhanin D. Studying the Plastic Deformation of Cu–Ti–C–B Composites in a Favorable Stress State. Materials, 2023, vol. 16, no. 8, article number 320. DOI: 10.3390/ma16083204.Pugacheva N., Kryuchkov D., Bykova T., Vichuzhanin D. Studying the Plastic Deformation of Cu–Ti–C–B Composites in a Favorable Stress State // Materials. 2023. Vol. 16. № 8. Article number 320. DOI: 10.3390/ma16083204.Pugacheva N.B., Bykova T.M., Senaeva E.I., Goruleva L.S. Thermophysical properties of a Cu–Ti–C–B SHS composite. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2023, no. 3, pp. 50–65. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.050-065.Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сенаева Е.И., Горулёва Л.С. Теплофизические свойства СВС композитов Cu–Ti–C–B // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2023. № 3. С. 50–65. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.050-065.Nikolin B.V., Matevosyan M.B., Kochugov S.P., Pugacheva N.B. Sposob izgotovleniya mnogosloynoy iznosostoykoy plastiny [Method of manufacturing a multilayer wear-resistant plate], patent RF na izobretenie no. 2680489, 2019. 11 p.Николин Б.В., Матевосян М.Б., Кочугов С.П., Пугачева Н.Б. Способ изготовления многослойной износостойкой пластины: патент РФ на изобретение № 2680489, 2019. 11 с.