СОДЕРЖАНИЕ
Введение...........................................................4
ГЛАВА I. Тепловой взрыв в гетерогенных конденсированных системах. Способы теоретического и экспериментального исследовании закономерностей саморазогрева и структурообразования в режиме теплового взрыва
1.1. Моделирование процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза................................10
1.2. Экспериментальные методы изучения макрокинетики саморазогрева в гетерогенных конденсированных системах 28
1.3. Особенности структурообразования бинарной порошковой
смеси ТІ-А1..................................................33
1.4. Особенности организации процессов синтеза в режиме теплового взрыва в гетерогенных конденсированных системах.....38
ГЛАВА II. Экспериментальный комплекс для изучения динамики саморазогрева и процессов структурообразования в системе Ті-АІ
2.1. Технологическое оборудование для изучения процессов саморазогрева при реализации СВС в режиме теплового взрыва 41
2.2. Экспериментальные методы изучения продуктов самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза........................................................48
2.3. Метод динамической дифрактометрии высокого пространственного и временного разрешения для изучения фазообразования в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза......................................51
2.4. Выводы по главе II............................................55
2
ГЛАВА III. Математическая модель процессов структурообразовапии в бинарной порошковой смеси ТЬ-А!
3.1. Постановка задачи..............................................57
3.2. Особенности тепловых режимов синтеза и процессов структурообразования в порошковой смеси состава П+ЗА!...........62
3.3. Особенности тепловых режимов синтеза и процессов структурообразования в порошковой смеси состава ТН А1...........68
3.4. Выводы по главе III............................................75
ГЛАВА IV. Исследование процессов
самораспрострашпощсгоси высокотемпературного синтеза в системе ТьА1
4.1. Экспериментальное изучение динамики саморазогрева и процессов структурообразования при синтезе
соединения стехиометрии ИА1з....................................76
4.2. Экспериментальное изучение динамики саморазофева и процессов структурообразования при синтезе
соединения стехиометрии Т1А1....................................86
4.3. Анализ процессов структурообразования в системе Т1-А1
с использованием метода динамической дифрактометрии.............96
4.4. Выводы по главе IV.............................................102
Основные выводы и результаты работы.................................103
Литература.........................................................104
3
ВВЕДЕНИЕ
Процессом, обладающим значительным потенциалом с точки зрения получения новых композиционных материалов, которые могут послужить основой для решения многих проблем в различных отраслях машиностроения, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый академиком Л.Г. Мержановым и его научной школой в 1967г.
Большой вклад в развитие этого метода внесли школы профессоров Левашова Е.А., Максимова Ю.М., Амосова А.П., Юхвида В.И., Евстигнеева
В.В.
Синтез материалов методом СВС относится к процессам твердофазного горения, и его можно проводить в двух режимах - послойное горение и тепловой взрыв. СВС в режиме теплового взрыва, хотя и требует несколько больших энергозатрат, но выгодно отличается от послойного горения, прежде всего возможностью управления тепловой активностью реагирующей шихты посредством изменения теплофизических условий синтеза, что особенно важно в процессе вторичного структурообразования. К управляющим факторам можно отнести мощность инициирующего теплового источника, время его действия, условия теплоотвода, и т.д. Кроме того, знание критических условий теплового взрыва позволяет разграничить режим изотермического спекания и собственно теплового взрыва. Таким образом появляется возможность управления фазовым составом конечного продукта, его полнотой превращения. Одной из основных целей технологий процессов СВС является, как правило, получение однофазного продукта. Необходимо заметить, что к настоящему времени этот вопрос малоизучен. Отсутствуют конкретные рекомендации по проведению режима синтеза в той или иной бинарной или многокомпонентной системе.
4
В последнее время большой интерес вызывают соединения на основе алюминидов титана. Указанные соединения обладают малым удельным весом, высокой жаростойкостью и могут составить серьезную конкуренцию соединениям на основе алюминидов никеля, поскольку не требуют дополнительной технологической обработки, следовательно, являются более дешевыми. В то же время, на сегодняшний день, отсутствует ясное понимание механизмов структурообразования в данной системе. Математической модели, позволяющей прогнозировать процессы синтеза в указанной системе, на сегодняшний день нет, также нерешенным является вопрос о способах управления процессами структурообразования в указанной системе. Для решения этой проблемы необходимы надежные методы диагностики, которые бы позволяли иметь представление о динамике развития процесса структурообразования. Одним из наиболее эффективных методов решения этой проблемы является метод синхротронного излучения, который на сегодняшний день не применялся для изучения процессов синтеза в режиме теплового взрыва.
Исходя из вышеизложенного:
Цель работы заключалась в разработке экспериментальных методов исследования динамики процессов структурообразования гетерогенной порошковой смеси Ті-Al при синтезе в режиме теплового взрыва, а также в применении метода синхротронного излучения для изучения формирования фазовых структур в условиях реализации СВС в виде теплового взрыва.
В процессе выполнения работы, решались следующие задачи:
1. Разработка технологического реактора, для проведения исследований по изучению процессов СВ-синтеза в режиме теплового взрыва, с возможностью изменения условий теплоотвода и равномерного прогрева во всем реагирующем объеме.
5
2. Исследование динамики фазообразования в системе ТІ+А1 при синтезе в режиме теплового взрыва, с использованием метода динамической дифрактометрии высокого пространственного и временного разрешения.
3. Разработка математической модели процессов структурообразования в системах Ті+ЗАІ, ТІ+А1.
4. Проведение исследований по изучению фазового состава продукта синтеза, проведенного в различных тепловых режимах. Сравнение экспериментальных данных с расчетными.
Научная новизна работы
1. Разработана методика изучения процессов структурообразования в системе ТІ-А1, с применением технологического реактора, позволяющего изменять условия теплоотвода в любой момент времени и получать однородное распределение фаз по всему реагирующему объему.
2. Разработана экспериментальная методика для изучения динамики фазовых превращений при синтезе в режиме теплового взрыва в пучках синхротронного излучения.
3. Впервые произведена идентификация последовательности фазовых превращений в системе ТІ+А1 в режиме теплового взрыва, с использованием разработанного устройства и метода динамической дифрактометрии в пучках синхротронного излучения.
4. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать процессы фазообразования при тепловом взрыве в гетерогенной системе ТІЛІ, на основе диаграммы состояния системы ТІ-АІ.
5. Выяснены механизмы процесса структурообразования, позволяющие получать продукт синтеза, требуемого состава и физико-химических свойств в порошковых системах Ті+ЗАІ, Ті+АІ.
Практическая значимость работы
- Разработанная методика, с применением технологического реактора, дает возможность получать продукты алюминидов титана заданного состава.
6
- На основании адекватности математической модели и результатов экспериментальных исследований появляется возможность прогнозирования режимов проведения синтеза для получения монофазного продукта в системе Ті-АІ.
Практическую значимость имеет разработанное и апробированное на системе Ті-АІ экспериментальное устройство, адаптированное к методу динамической дифрактометрии в пучках синхротронного излучения, которое может быть применено для изучения динамики процессов фазообразования в режиме теплового взрыва в других системах.
Основные защищаемые положении
1. Экспериментальная методика, позволяющая производить отключение источника разогрева реактора в любой момент времени и получать равномерное распределение температуры по всему реагирующему объему.
2. Экспериментальная методика исследования динамики фазообразования в процессе синтеза, при реализации теплового взрыва, адаптированная к методу синхротронного излучения.
3. Методика получения монофазного продукта синтеза в режиме теплового взрыва для порошковых систем Ті+ЗАІ, ТІ+АІ.
4. Прогнозная математическая модель динамики процессов разоірева и структурообразования для порошковой системы Ті-АІ.
5. Механизмы структурообразования в системе Ті-АІ при различных режимах синтеза с цслыо получения продукта с требуемым набором физикохимических свойств.
Сформулированные выше цели и задачи исследования определили структуру работы.
В первой главе рассмотрены различные способы реализации самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведен
анализ основных результатов теоретических и экспериментальных исследований СВ-сиитеза как в режиме послойного горения, так и в режиме
7
теплового взрыва. Показаны преимущества технологии СВС перед другими способами получения композиционных материалов.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день экспериментальные методики, дающие возможность управлять процессами структурообразован ия в режиме теплового взрыва, недостаточны разработаны. Механизмы структурообразования в системе Ті-А1 не достаточно глубоко изучены, экспериментальных методик по изучению динамики структурообразования в режиме теплового взрыва с использованием синхротронного излучения не существует.
Исходя из поставленных проблем, в конце главы сформулированы цели и задачи настоящей работы.
Вторая глава посвящается описанию приборов и методов для проведения исследований по изучению динамики саморазогрева и процессов структурообразования в системе ТІ-А1, одним из основных элементов исследовательского оборудования является СВС-реактор. Для выявления динамики фазообразования использовался метод дифрактомстрии высокого пространственного и временного разрешения в пучках синхротронного излучения (СИ). Метод позволяет определять динамику изменения фазового состава в процессе химических превращений в гетерогенных конденсированных системах. Синхротронное излучение обладает непрерывным спектром, покрывающим практически весь рентгеновский диапазон.
Излучение обладает высокой интенсивностью, высоким пространственным и временным разрешением и позволяет анализировать быстропротекающие процессы фазообразования при синтезе композиционных материалов. В настоящем исследовании указанный метод был адаптирован к исследованию процессов синтеза апюминидов титана в режиме теплового взрыва.
В третьей главе проводится моделирование процессов структурообразования в системе Ті - А1 при саморазогреве в режиме
8
теплового взрыва, и выяснение зависимости фазового состава конечного продукта от соотношения компонентов и теплофизических условий синтеза.
Из анализа результатов расчета математической модели следует, что механизм структурообразования в системах Т1+ЗА1 и Т1+А1 различны. В Т1А1з при любом значении коэффициента теплоотдачи меньшего критического всегда синтезируется однофазный продукт указанной стехиометрии. В системе Т\А\ процесс образования однофазного продукта происходит медленнее по причине меньшего значения коэффициента диффузии алюминия. Все сказанное справедливо, в случае если, максимальные температуры синтеза не превосходят низшую температуру плавления в системе Т1-А1 - соединения Т1А13 (1340 °С).
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по изучению закономерностей теплового взрыва в системе Т\ -А1, при различных теплофизических условиях синтеза, исследуются режимы проведения теплового взрыва, фазовый состав и структура, произведена проверка теоретической модели на адекватность.
9
- Київ+380960830922