Особенности СВС пористого никелида титана

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Физический факультет 

Физико-технический факультет 

 
 
 
 
 
 
 

Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук, И.А. Жуков 

 
 
 

Особенности СВС  

пористого никелида титана 

 
 

Учебно-методическое пособие 

 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство Томского государственного университета  
2021 

Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук, И.А. Жуков 

2 

УДК 538.911 
ББК 34.2:5 
        М30 
 
Марченко Е.С., Ясенчук Ю.Ф., Жуков И.А. 
М30   Особенности СВС пористого никелида титана : учеб.-метод.  
пособие. – Томск : Издательство Томского государственного  
университета, 2021. – 48 с.  
ISBN 978-5-94621-994-5 
 
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет 
собой 
самоподдерживающуюся 
реакцию 
горения, 
инициированную 
путем 
воспламенения порошковых реагентов некоторых материалов, обладающих 
способностью к экзотермической реакции. Это быстрый и экономичный способ 
производства, поскольку экзотермическая реакция выделяет тепло, необходимое 
для достижения температуры начала реакции в смежных зонах шихты. В системах с 
плавящимся 
компонентом 
тепломассоперенос 
осуществляет 
расплав, 
образующийся в реакционной зоне. Процесс СВС используется для синтеза 
тугоплавких материалов, таких как карбиды, бориды, оксиды, силициды, керамика, 
интерметаллиды и перспективные композиты. Кинетика процесса СВС прямо и 
косвенно зависит от размера частиц порошка и гранулометрического состава, 
соотношения реагентов в шихте, плотности шихты, скорости нагрева и 
температуры начала реакции. В данной методическом пособии обсуждаются 
закономерности СВС, а также последние достижения в области СВС пористых 
сплавов на основе интерметаллида TiNi, как перспективного способа производства 
полуфабрикатов для имплантов, используемых при хирургическом лечении 
повреждений и дефектов опорно-двигательного аппарата. 
Для студентов физико-математических и физико-технических специальностей, 
а также для широкого круга читателей, интересующихся вопросами порошковой 
металлургии. 
 
УДК 538.911 
ББК 34.2:5 
 
 
Рецензенты:  
д-р физ.-мат. наук, профессор А.Ю. Крайнов; 
канд. физ.-мат. наук, доцент А.А. Козулин  
 
 
© Марченко Е.С., Ясенчук Ю.Ф., Жуков И.А., 2021 
ISBN 978-5-94621-994-5 
© Томский государственный университет, 2021 

Особенности СВС пористого никелида титана 

3 

 

 
 
Предисловие 

 
Выбор конструкционного материала для прикладной задачи зависит от его прочности, деформационных и физико-химических 
характеристик. Свойства сплавов прямо зависят от способа их получения. Внедрение перспективных материалов требует инновационных технологических подходов, при которых гарантируется 
как сохранение заданных свойств материалов, так и экономичность производства, и именно здесь самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), становится значимым [1–6]. 
СВС является перспективным способом порошковой металлургии, 
который отличается малой энергоемкостью, экономичностью и 
высокой производительностью и с успехом применяется для производства интерметаллических сплавов. Концепция СВС также 
используется для синтеза высокоэнтропийных сплавов, таких как 
дибориды металлов. Использование метода СВС чрезвычайно 
удачно для стимулирования образования высокоэнтропийной керамики по сравнению с альтернативными методами измельчения в 
шаровой мельнице, требующим много времени. Интерметаллические соединения находят применение в качестве жаропрочных и 
коррозионностойких материалов и покрытий в машиностроении, 
аэрокосмической и биомедицинской отраслях.  
Особенности СВС, исследуемые в течение последних 30–40 лет 
в контексте изготовления пористых медицинских интерметталидов 
на основе никелида титана, является ключевой темой настоящего 
пособия. Применение СВС изучается также при соединении керамических материалов, например, керамических плиток лунного/марсианского реголита, используемых для исследования космоса [4], обработки минералов [7] или при сварке. СВС хорошо зарекомендовал себя при термитной сварке рельс на железнодорожных 
путях или в сложных условиях [8]. 

Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук, И.А. Жуков 

4 

Применение СВС в аддитивных технологиях, в частности, селективного лазерного спекания (SLS) и селективного лазерного 
плавления (SLM) [9] требует обширных исследований. Энергозатратное и трудоемкое изготовление TE-модулей Bi2Te3 может 
быть осуществлено путем сочетания СВС и SLM методом лазерной 3D-печати [10]. 
 
 
Основы СВС 

 
Самораспространяющийся 
высокотемпературный 
синтез 
(СВС), как разновидность реакционного синтеза, представляет собой самоподдерживающуюся реакцию горения, инициируемую в 
порошкообразных реагентах некоторых материалов и характеризующуюся высокой скоростью саморазогрева шихты. Необходимым условием является способность инициировать высокоэкзотермическую реакцию в составляющей порошковой смеси; либо в 
нескольких местах [11–14], либо по всему порошковому компакту 
[15]. Последний вид реакции также называют «тепловым взрывом» [16]. Систематическая работа по изучению и описанию процессов СВС, равно как и предложенная теория горения и взрыва в 
порошковой металлургии, неразрывно связана с деятельностью 
российской научной школы под руководством А.Г. Мержанова, 
которая изучала взаимодействие Ti и B в шестидесятых и семидесятых годах прошлого века. Более подробная информация об исторических отчетах представлена в обзорной работе [17]. Тем не 
менее, процесс СВС постоянно и неуклонно исследуется и адаптируется для синтеза перспективных материалов, и все больше публикаций появляется в научных журналах. 
Было опубликовано несколько монографий, последняя из которых – это системная работа по созданию энциклопедии СВС, 
опубликованная учениками А.Г. Мержанова в 2017 г. [18]. Она 
предоставляет информацию о синтезе и характеристике интермет

Особенности СВС пористого никелида титана 

5 

 

таллидов и перспективных керамик на основе боридов. Однако в 
последних исследованиях больше внимания уделялось контролю и 
мониторингу процесса СВС, учитывая быструю скорость протекания реакции. В этом отношении применение новых технологий 
мониторинга, таких как лазерная технология, позволило обнаруживать изменения морфологии и оптических свойств поверхности 
составляющих порошков, а также наблюдать распространение 
волн горения, несмотря на интенсивное фоновое свечение во время горения [19]. 
СВС – это экономически выгодный метод изготовления керамических композитов и интерметаллидов (как монолитных, так и 
пористых), поскольку экзотермические условия, инициируемые в 
реагентах, обеспечивает большую часть тепловой энергии, необходимой для спекания, и, конечно же, этот процесс можно рассматривать, как высококинетический. Кроме того, это несложный 
процесс, поэтому нет необходимости в сложном и дорогостоящем 
оборудовании. Амортизация и износ используемого оборудования 
минимальны из-за короткого времени процесса. СВС, как метод 
порошковой металлургии рекомендован для синтеза тугоплавких 
материалов, таких как оксиды, карбиды, силикаты, бориды, керамика, интерметаллиды, термоэлектрические материалы и современные композиты (табл. 1) [20–42]. Как таковую, реакцию СВС 
можно разделить на «распространяющийся» и «объемный» реакционный процесс в зависимости от начального подводимого тепла. 
Для СВС, основанного на распространении, смесь порошков реагентов воспламеняется локально, чтобы инициировать волну тепловой энергии (возникающую в результате экзотермической реакции порошков реагентов), проходящую последовательно через 
шихту. Объемная реакция происходит из-за того, что вся шихта 
одномоментно воспламеняется и подвергается воздействию высокой температуры горения по всему объему. Это достигается перегревом шихты в реакторе или ее погружением в расплавленный 
металл одного из реагирующих компонентов, например порошко