Электродуговой синтез карбида титана с использованием в качестве сырья оксида титана

Abstract

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью разработки энергоэффективных и технологически простых методов синтеза ультратугоплавких материалов, таких как карбид титана (TiC), который востребован в аэрокосмической, металлургической и электротехнической промышленности. Традиционные методы получения TiC требуют высоких энергозатрат и сложного оборудования, что стимулирует поиск альтернативных подходов. Цель. Исследование возможности синтеза карбида титана безвакуумным электродуговым методом в открытой воздушной среде с использованием коммерчески доступного диоксида титана (TiO₂) и технического углерода (сажи П803). Методы. Синтез карбида титана был реализован безвакуумным электродуговым методом в плазмохимическом реакторе постоянного тока, далее порошковые продукты синтеза были исследованы методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, проведен анализ удельной поверхности и пористой структуры. Результаты и выводы. Показано, что предложенный метод позволяет синтезировать карбид титана с удельным расходом электроэнергии ~100 кВт·ч/кг, что в 4 раза энергоэффективнее, чем классические методы, использующие вакуумное оборудование. Основной фазой продукта является TiC с кубической решеткой (параметр 4,321±0,005 Å). Установлено влияние избытка/недостатка углерода в шихте на состав продукта: при стехиометрическом соотношении TiO₂:C образуется TiC с минимальным количеством примесей (графит, оксиды титана (рутил, анатаз)). Площадь удельной поверхности полученного порошка составила 4,418 м²/г с преобладанием нанопор (2-10 нм). Перспективным направлением дальнейших исследований является использование титановых руд в качестве сырья для масштабирования технологии безвакуумного электродугового синтеза

Relevance. The need to develop energy-efficient and technologically simple methods for the synthesis of ultraluminous materials such as titanium carbide (TiC), which is in demand in the aerospace, metallurgical and electrical industries. Traditional methods of producing TiC require high energy consumption and complex equipment, which encourages the search for alternative approaches. Aim. To investigate the possibility of synthesis of titanium carbide by a vacuum-free electric arc method in an open-air environment using commercially available titanium dioxide (TiO₂) and carbon (P803). Methods. Electric arc synthesis in a DC reactor, X-ray diffractometry, scanning electron microscopy, specific surface area and porous structure analysis. Results and conclusions. The proposed method makes it possible to synthesize titanium carbide with a specific energy consumption of ~100 kWh/kg, which is four times more energy efficient than the classical vacuum method. The main phase of the product is a cubic lattice TiC (parameter 4,321±0,005 Å). The effect of excess/lack of carbon in the charge on the composition of the product was established: with a stoichiometric ratio of TiO₂:C, TiC is formed with a minimum amount of impurities (graphite, rutile, anatase). The specific surface area of the obtained powder was 4.418 m2/g with a predominance of nanopores (2-10 nm). A promising area of further research is the use of titanium ores as raw materials for scaling the technology