способ получения порошка нитрида титана

Формула изобретения

Способ получения порошка нитрида титана, заключающийся в проведении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана на воздухе в свободно насыпанном состоянии, отличающийся тем, что оксид титана вводят в количестве 20-40 мас.% в исходную смесь, а процесс горения инициируют локальным нагревом с помощью нихромовой спирали на воздухе при атмосферном давлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения нитридов, в частности нитрида титана, который широко используют в современной электронной и оптоэлектронной технике, для получения технической керамики, жаропрочных и износостойких материалов, покрытий для режущих и обрабатывающих инструментов, для шлифовки драгоценных камней, а также в микроэлектронике благодаря высокой прочности и химической стабильности.

Известен способ получения порошка нитрида титана путем термического разложения в автоклаве (Т=650°C) фторотитаната аммония ((NH₄)₂ TiF₆) в присутствии металлического натрия (Meining Wu. Low temperature synthesis of nanocrystalline titanium nitride from a single-source precursor of titanium and nitrogen // Journal of Alloys and Compounds. 2009. № 486. p.223-226). Недостатками данного метода являются образование токсичных продуктов - фторида натрия и аммиака помимо нитрида титана. Еще один из способов получения нитрида титана заключается в совместном помоле при комнатной температуре порошка титана и мочевины (J.F.Sun, M.Z.Wang, Y.C.Zhao, X.P.Li, B.Y.Liang. Synthesis of titanium nitride powders by reactive ball milling of titanium and urea // Journal of Alloys and Compounds. 2009. № 482. p.L29-L31) в качестве недостатков метода стоит отметить длительность процесса от 20 до 70 часов и загрязнение конечного продукта карбидом вольфрама - материалом помольных шаров.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ образования нитрида титана при твердофазном азотировании металлического титана чистым азотом (A.S.Bolokang, M.J.Phasha. Formation of titanium nitride produced from nanocrystalline titanium powder under nitrogen atmosphere // Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2010. № 28. p.610-615). Недостатками предлагаемого метода являются длительный предварительный помол порошка титана (12-20 часов) и необходимость использования особо чистых реагентов (содержание основного вещества 99,999%).

Основной технической задачей данного изобретения является существенное упрощение технических приемов синтеза по сравнению с прототипом: использование воздуха в качестве азотсодержащего реагента, исключение стадии помола исходных реагентов и использование тепла экзотермической реакции горения титансодержащей шихты на открытом воздухе при проведении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) нитрида титана.

Поставленная техническая задача достигается проведением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана TiO₂ на воздухе в свободнонасыпанном состоянии, оксид титана вводят в количестве 20-40 мас.% в исходную смесь, а процесс горения инициируют локальным нагревом с помощью нихромовой спирали на воздухе при атмосферном давлении.

Применение грубодисперсных порошков металлов без предварительного помола в течение длительного времени в технологии синтеза нитридов является экономически более выгодным. Использование чистого титана в качестве основного компонента при СВС на воздухе приводит к его частичному плавлению и спеканию с минимальным выходом нитридной фазы (см. таблица). В качестве инертного компонента, препятствующего плавлению титана, использовали оксид титана. Применение мелкодисперсного оксида титана обусловлено необходимостью образования изолирующей прослойки между крупными частицами титана, которая способствует снижению скорости горения и, как следствие, более полному превращению исходных компонентов. Регулирование скорости горения обеспечивает более полное протекание реакции образования нитрида титана.

Пример конкретного выполнения.

Для приготовления исходной смеси используют порошок титана дисперсностью 630-1000 мкм. Оксид титана (TiO ₂) с размером частиц менее 80 мкм вводят в количестве 20 мас.% в исходную смесь. Смешение исходных компонентов проводят сухим способом. Готовую смесь в свободнонасыпанном состоянии помещают на огнеупорную подложку. Процесс горения инициируют локальным нагревом образца с помощью нихромовой спирали. После локального инициирования, фронт горения с высокой скоростью распространяется по образцу, температура образца быстро (за 1-2 с) увеличивается, распространение тепловой волны от точки воспламенения к периферии образца сопровождается ярким свечением.

Введение порошка оксида титана в количестве 50 мас.% и более приводит к затруднению инициирования процесса горения и недогоранию исходных смесей, а менее 20 мас.% - к плавлению и интенсивному спеканию порошка титана (см. таблица). Оптимальным количеством добавки оксида титана является 20-40 мас.%, что обеспечивает максимальный выход нитрида титана с образованием рыхлого спека.

Продукты сгорания грубодисперсных порошков титана и его оксида представляли собой высокопористые спеки, легко поддающиеся дальнейшей обработке. Нитрид титана присутствовал в продуктах сгорания как преобладающая фаза TiN (76-82%), TiO₂ (10-12%), Ti (8-12%).

Технический результат достигается за счет использования в качестве азотсодержащей среды атмосферного воздуха и проведения процесса синтеза посредством СВС на воздухе при атмосферном давлении свободнонасыпанных композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана, не требующего предварительной механической обработки.

Способ получения порошка нитрида титана
Таблица
Содержание оксида титана в исходной смеси, мас.%	Режим горения	Скорость горения, г/с	Продукты сгорания, %	Примечание
TiN	TiO2	Ti
0	Легко инициируется Самоподдерживающийся, устойчивый	0,70	40	20	40	Легко инициируется
Спек плотный, полностью оплавлен изнутри
10		0,65	60	15	25	Легко инициируется
Спек частично оплавлен
20	0,50	76	12	12	Легко инициируется
Рыхлый спек
30	0,40	78	12	10	Легко инициируется
Рыхлый спек
40	0,40	82	10	8	Легко инициируется
Рыхлый спек
50 и более	Не инициируется	Не определена	-	-	-	Инициируется при дополнительных энергетических затратах
Большое количество недогоревших исходных компонентов