Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск, Россия:

Р. А. Закиров, младший научный сотрудник лаборатории «Каталитических превращений малых молекул», эл. почта: zakirow.roman@gmail.com

Исследован процесс образования карбида титана при взаимодействии субхлорида алюминия c тетрахлоридом титана в присутствии углерода. Процесс может быть описан общим уравнением реакции TiCl₄ + 2AlCl + C = TiC + 2AlCl₃, в котором пары субхлорида алюминия синтезировались при взаимодействии хлорида алюминия с металлическим алюминием. Показано, что образование карбида титана в системе AlCl – TiCl₄ – C происходит через формирование карбида алюминия 6AlCl + 3C = = Al₄C₃ + 2AlCl₃ (1) с последующим взаимодействием карбида алюминия с парами тетрахлорида титана Al₄C₃ + 3TiCl₄ = 3TiC + 4AlCl₃ (2). Каждая из представленных реакций имеет температурный оптимум. Для реакции (1) и реакции образования субхлорида алюминия выход продуктов возрастает с повышением температуры, а для реакции (2) — снижается. Снижение выхода карбида титана при повышении температуры происходит в результате взаимодействия образовавшегося TiC с парами тетрахлорида титана и сопровождается выделением свободного углерода, загрязняющего конечный продукт TiC + 3TiCl₄ = C + 4TiCl₃. Таким образом, целесообразно проводить синтез карбида титана в две стадии: на первой — синтезировать карбид алюминия, а на второй — приводить во взаимодействие карбид алюминия с парами TiCl₄. В лабораторном эксперименте, проведенном в проточном реакторе, полное превращение углерода в карбид алюминия происходило при температуре 1250 ^oC. На второй стадии перевод карбида алюминия в карбид титана достигался в течение 90 мин при 800 ^oC и 60 мин при 900 ^oC. Представленный способ открывает возможности получения мелкодисперсных карбидов алюминия и титана (или их смеси) для применения, например, в качестве модифицирующих добавок к сплавам.

Исследование выполнено в рамках государственного задания ИХХТ СО РАН — ФИЦ КНЦ СО РАН (проект № 0287-2021-0013).

1. Santos-Beltran A., Goytia-Reyes R., Morales-Rodriguez H. Characterization of Al – Al₄C₃ nanocomposites produced by mechanical milling // Materials Characterization. 2015. Vol. 106. P. 368–374.
2. Besterci M. Preparation, microstructure and properties of Al – Al₄C₃ system produced by mechanical alloying // Materials and Design. 2006. Vol. 27. P. 416–421.
3. Birol Y. In situ synthesis of Al – TiCp composites by reacting K₂TiF₆ and particulate graphite in molten aluminum // Journal of Alloys and Compounds. 2008. Vol. 454. P. 110–117.
4. Amosov A. P., Luts A. R., Rybakov A. D. Using different powdered carbon forms for reinforcing aluminum composite materials with carbon and titanium carbide: A Review // Russian Journal of Non-ferrous Metals. 2020. Vol. 61. P. 500–516.
5. Прибытков Г. А., Коржова В. В., Барановский А. В. Фазовый состав и структура композиционных порошков карбида титана со связкой из стали Р6М5, полученных методом СВС // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. № 2. С. 64–71.
6. Cherepova T. S., Dmytrieva H. P., Dukhota О. І. Properties of Nickel powder alloys hardened with titanium carbide // Materials Science. 2016. Vol. 52, No. 2. P. 173–179.
7. Peng T., Yan Q., Zhang X. Role of titanium carbide and alumina on the friction increment for Cu-based metallic brake pads under different initial braking speeds // Friction. 2021. Vol. 9. P. 1543–1557.
8. Vorozhtsov S., Kolarik V., Promakhov V. The influence of Al₄C₃ nanoparticles on the physical and mechanical properties of metal matrix composites at high temperatures // JOM. 2016. Vol. 68. P. 1312–1316.

9. Zhang A., Hao H., Zhang X. Grain refinement mechanism of Al – 5C master alloy in AZ31 magnesium alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23. P. 3167–3172.
10. Nimityongskul S., Jones M., Choi H. Grain refining mechanisms in Mg – Al alloys with Al₄C₃ microparticles // Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527. P. 2104–2111.
11. Vinod Kumar G. S., Murty B. S., Chakraborty M. Grain refinement response of LM25 alloy towards Al – Ti – C and Al – Ti – B grain refiners // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 472. P. 112–120.
12. Torbati-Sarraf S. A., Mahmudi R. Microstructure and mechanical properties of extruded and ECAPed AZ31 Mg alloy, grain refined with Al – Ti – C master alloy // Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527. P. 3515–3520.
13. Yeh C. L., Chen Y. S. Use of Al₄C₃ for fabrication of alumina–niobium carbide composites by combustion synthesis // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 589. P. 132–136.
14. Yeh C. L., Shen Y. G. Effects of TiC and Al₄C₃ addition on combustion synthesis of Ti2AlC // Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 470. P. 424–428.
15. Галышев С. Н., Бажин П. М., Столин А. М. Высокотемпературный отжиг композита на основе МАХ-фазы системы Ti – Al – C // Новые огнеупоры. 2017. № 9. С. 60–64.
16. Кипарисов С. С., Левинский Ю. В., Петров А. П. Карбид титана: получение, свойства, применение. — М. : Металлургия, 1987. — 216 с.
17. Алымов М. И., Шустов В. С., Касимцев А. В. Синтез нанопорошков карбида титана и изготовление пористых материалов на их основе // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. № 1-2. С. 84–89.
18. Рева В. П., Ягофаров В. Ю., Филатенков А. Э. Синтез карбида в результате механоактивации титана совместно с различными углеродными компонентами // Новые огнеупоры. 2017. № 3. С. 134–138.
19. Пак А. Я., Якич Т. Ю., Мамонтов Г. Я. Получение карбида титана в атмосферной электроразрядной плазме // Журнал технической физики. 2020. Т. 90, Вып. 5. С. 805–810.
20. Li J., Zhang G., Liu D., Ostrovski O. Low-temperature synthesis of aluminum carbide // ISIJ International. 2011. Vol. 51, Iss. 6. P. 870–877.
21. Ильин А. П., Назаренко О. Б., Тихонов Д. В. Синтез карбидов металлов электрическим взрывом проводников // Вестник науки Сибири. 2012. № 3 (4). С. 80–88.
22. Zakirov R. A., Parfenov O. G., Solovyov L. A. Chemical vapor synthesis of titanium aluminides by reaction of aluminum subchloride and titanium tetrachloride // Metallurgical and Materials Transactions B. 2018. Vol. 49. P. 13–17.
23. Семенкович С. А. Химические реакции моногалогенидов алюминия в парах // Журнал прикладной химии. 1960. Т. 33, Вып. 3. C. 552–559.
24. Фурман А. А. Неорганические хлориды. — М. : Химия, 1980. — 416 c.
25. Dyjak S., Norek M., Polański M. A simple method of synthesis and surface purification of titanium carbide powder // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2013. Vol. 38. P. 87–91.