Содержание
Введение ..............................................................4
Глава I Самораспространяющийся высокотемпературный синтез как способ получения композиционных материалов. Технологии получения защитных покрытий из композиционных материалов........................,........11
1.1. Макрокинетика структурообразования в процессах
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза..................11
1.2. Закономерности процессов фазообразования в системе Т\ - А1.......24
1.3. Технологий нанесения защитных покрытий...........................33
1.4. Некоторые вопросы организации процессов синтеза алюминидов титана и получения соответствующих защитных покрытий.........................38
Глава II Экспериментально - диагностический комплекс для получения композиционных материалов методом СВС и их применение в процессе детонационно-газового нанесения защитных покрытий.....................41
2.1. Экспериментальное оборудование для проведения комплексного исследования процесса теплового взрыва в гетерогенных конденсированных системах........................................................... 41
2.2. Технологическое оборудование для изучения тепловой динамики разогрева поверхности основы в процессе детонационно-газового напыления......................................................... 50
2.3. Комплекс оборудования для исследования свойств защитных покрытий..............................................................56
2.3.1. Ударно - абразивный износ......................................56
2.3.2. Пористость.....................................................58
2.3.3. Жаростойкость..................................................60
Выводы по главе II................................................ 61
2
Глава III Исследование процессов структрообразования в бинарной системе Ті - А1 при различных тепловых режимах синтеза.........................62
3.1. Качественная модель процессов структурообразования в системе Ті - АІ на основе диаграммы состояния для стехиометрии соединений ТіА13 и ТІА1...................................................................62
3.2. Исследование тепловых режимов синтеза и процессов фазообразования для состава шихты Ті - ЗА1.......................................... .68
3.3. Исследование тепловых режимов синтеза и процессов фазообразования
для состава шихты Ті - А1 ............................................82
Выводы по главе III....................................................87
Глава IV. Характеристики защитных покрытий из алюминидов титана, полученных методом детонационно-газового напыления.....................89
4.1. Макрокинетика разогрева поверхности основы в процессе нанесения защитных покрытий из алюминидов титана методом ДГН.....................89
4.2. Определение некоторых эксплуатационных характеристик покрытий на
основе соединения ТіАІз.............................................. 99
Выводы по главе IV....................................................105
Основные результаты диссертационной работы............................106
Литература............................................................108
3
Введение
Ускорение темпов развития современного машиностроения, ставит перед материаловедами задачи получения композиционных материалов и изделий многофункционального назначения, в которых обеспечение эффективных свойств достигается наличием в структуре фаз с взаимодополняющими комплексами физико-механических, химических и других характеристик. С целью достижения необходимого уровня свойств, композиционный материал может применяться либо для изготовления изделия в целом, либо для защиты отдельных поверхностей, особенно подверженным деструктивным воздействиям. Эффективной технологией, открывающей широкие возможности для решения поставленных задач, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый академиком А.Г. Мержановым и его научной школой в 1967г. Существенный вклад в развитие технологий СВС внесли школы профессоров Е.А. Левашова, Ю.М. Максимова, А.П. Амосова, В.И. Юхвида и В.В. Евстигнеева. Технологии СВС характеризуются низкими энергозатратами, простотой и дешевизной используемого оборудования, быстротой протекания процесса, чистотой синтезированного продукта.
В настоящее время, в связи с ростом объемов производства в таких капиталоемких отраслях промышленности как авиастроение, судостроение, космические технологии, исследователями в области фундаментального и прикладного материаловедения ведется активный поиск замены дорогостоящих композиционных материалов на более дешевые, при этом не уступающие по эксплуатационным характеристикам. В этом смысле одним из наиболее перспективных направлений, которые достаточно успешно развиваются в мире, в области новых металлических материалов с высоким уровнем жаростойкости и термической стабильности, является создание интерметаллидных соединений системы ТьА1 и усовершенствование технологии их получения. Эти соединения в ближайшем будущем могут составить серьезную конкуренцию соединениям
на основе алюминидов никеля. Так как алюминиды титана более легкие, не требуют для легирования дорогостоящих и дефицитных элементами, а значит более дешевые, обладают высокой коррозионной стойкостью, стойкостью к высокотемпературному окислению, модулем упругости, прочностью (предел прочности при 1200°С более 100 МПа и при 1500 °С более 50 МПа). Таким образом, алюминиды титана могут быть с успехом использованы, например, в качестве жаростойких покрытий на лопатках газотурбинных двигателей и других двигателей, подвергающихся воздействию высокотемпературных газовых потоков; в качестве присадочного материала при дуговой сварке, в качестве конструкционного материала, работающего при статических нагрузках и больших температурах переплава, для получения сплавов Т1 - А1. Как правило, синтез в режиме теплового взрыва проводят с использованием муфельных печей, в которых быстрое изменение температуры или условий теплоотвода невозможно. Кроме того, указанный способ характеризуется высоким энергопотреблением. Таким образом, разработка относительно простых и дешевых способов производства указанных интерметаллидов является актуальной и пока не решенной до конца задачей. Следовательно, возникает необходимость создания экспериментального комплекса для проведения СВС в режиме теплового взрыва с низким энергопотреблением, низкой инерционностью, с однородным распределением температуры в объеме шихты.
Необходимо заметить, что подавляющее число теоретических и экспериментальных исследований в области процессов СВС посвящено в основном изучению фронтального (послойного) горения. Однако в режиме послойного горения отсутствует какая - либо возможность управления процессом структурообразования, поскольку волна горения есть автоволна, структурные и тепловые свойства которой определяются положительной обратной связью между самой волной и исходной шихтой, (волна есть и причина и следствие горения). Управлять такой структурой извне крайне сложно. В режиме теплового взрыва имеется ряд внешних и внутренних
параметров, способных влиять на тепловую активность шихты. Здесь основной задачей экспериментатора чаще всего является синтез монофазного продукта для получения композиционного материала требуемых свойств. В процессах теплового взрыва эта задача мало изучена. В отношении указанной выше технологически значимой системы Т\ -А1, количество публикаций, посвященных изучению закономерностей структурообразования и управлению процессом СВС, в этой системе крайне ограничено (в основном они встречаются в зарубежной периодике). Для изучения механизмов структурообразования в системе ТьА1 необходимо оборудование, позволяющее управлять энергообменом реагирующей шихты с окружающей средой. Это позволит осуществлять управление процессом структурообразования. Таким образом, создание указанного экспериментального комплекса для изучения закономерностей процесса структурообразования в системе Т\ - А1 является, несомненно, актуальной задачей.
При изготовлении деталей машин в машиностроении для повышения их эксплуатационных характеристик применяют различные способы термической обработки сталей [1, 2]. Однако главным недостатком этих методов является высокое энергопотребление. Альтернативой данных методов является применение композиционных материалов в нанесении защитных покрытий деталей и узлов механизмов и машин, с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Для этих целей широко используются различные виды газотермического напыления, одним из которых является детонационно-газовое напыление (ДГН). Указанный процесс выгодно отличается от других видов нанесения защитных покрытий, прежде всего высокими скоростями и температурами, дисперсного потока. Технологии ДГН позволяют получать высококачественные покрытия с низкой остаточной пористостью и высокой адгезией с основой, которые способны эффективно противостоять сильному износу, воздействию коррозии и высокой температуры. С его помощью можно улучшить и даже
полностью изменить поверхностные свойства деталей, получить заранее прогнозируемые свойства поверхности, с тем, чтобы наилучшим образом удовлетворить условиям эксплуатации деталей машин, приборов и механизмов. Однако существует еще один аспект технологий ДГН. Высокие скорости, давления и температуры дисперсного потока, развиваемые в этом процессе, позволяют изменять фазовый состав, кристаллическую структуру, агрегатное состояние напыляемых частиц, как в потоке, так и в момент удара о поверхность основы, что дает возможность рассматривать установку для ДГН как высокоэнергетический реактор или активатор. Однако вопрос о структуро и фазообразовании в процессах ДГН мало изучен. Как правило, исследователей интересуют вопросы, связанные с физико-механическими свойствами нанесенных покрытий. В связи с этим необходимо заметить, что изучение химизма указанного процесса дает богатую информацию в отношении возможности управления процессами структурообразования, выбора необходимого режима получения композиционных порошков с одной стороны, и оптимального режима ДГН с другой.
Важно иметь в виду, что технологии процесса ДГН и СВС, как правило, независимы друг от друга. Именно, в технологиях ДГН обычно используется уже готовый продукт, полученный другими специалистами и с использованием других технологий. Следовательно, объединение технологий СВС и ДГН в единый комплекс, очевидно, имеет большие перспективы, т.к. в этом случае оптимизация физико-химических свойств покрытий и получение сырья для этих покрытий связаны положительной обратной связью. Если покрытие не обладает определенным набором свойств, диктуемых условиями эксплуатации изделия, это стимулирует поиск необходимых режимов синтеза и разработок определенных рекомендаций по получению продукта требуемого состава и физико-химических свойств. В свою очередь разработка способов синтеза требует поиска оптимальных режимов напыления и т.д. В связи с этим, разработка комплексной интегральной методики изучения процессов СВС и получения защитных
покрытий из синтезированных композиционных материалов, является на сегодняшний день весьма важной задачей.
Круг поставленных выше проблем определил цель настоящей работы.
Цель работы заключалась в создании экспериментального комплекса для изучения особенностей структурообразования в процессах СВС в режиме теплового взрыва в технологически значимой системе ТьА1, в выяснении условий проведения синтеза монофазного продукта различной стехиометрии, и в определении возможности использования синтезированных композиционных материалов для получения защитных покрытий методом детонационно-газового напыления.
Сформулированная выше цель обусловила структуру работы. В главе I рассмотрены особенности СВ - синтеза как физико - химического процесса, основные результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов горения в гетерогенных системах. Приведены описания основных технологий нанесения защитных покрытий газотермическими методами.
Во второй главе приведено описание приборов и оборудования, использованных в настоящем исследовании, с описанием их характеристик. /
Глава III посвящена экспериментальному изучению особенностей динамики развития теплового взрыва и процессов структурообразования в системе П—А1 для состава шихты стехиометрий ЛАЬ и Т\А1.
В главе IV приведены результаты исследований по получению защитных покрытий из синтезированных материалов, изучению их свойств.
Раздел «Выводы» резюмирует основные результаты исследований.
Научная новизна работы
1. Спроектирована и создана экспериментальная установка для изучения процессов структурообразования в системе ТьА1 на основе технологического реактора, позволяющего получать однородное распределение фазового состава по всему реагирующему объему.
2. Разработана методика получения монофазных продуктов стехиометрии Т1А1з и Т1А1 при проведении синтеза в режиме теплового взрыва.
3. Определены механизмы структурообразования в системе Т1-А1 .на основании экспериментальных данных по изучению динамики саморазогрева и фазового состава конечного продукта.
4. Разработана качественная модель процессов структурообразования в системе титан-алюминий, позволяющая прогнозировать процесс протекания синтеза на основе диаграммы состояния указанной системы. Практическую значимость работы представляет созданный
экспериментальный комплекс позволяющий получать алюминиды титана заданной стехиометрии, на их основе получать покрытия и производить измерения физических и эксплуатационных характеристик этих покрытий. Применение технологического реактора для научных исследований, или в технологических процессах дает значительную экономию электроэнергии. Его конструкция обеспечивает однородность фазового состава продукта реакции, а также позволяет управлять процессами структурообразования, за счет изменения условий энергообмена. Определены условия получения монофазного продукта в системе ТьА1.'
Основные защищаемые положения
1. Конструкция технологического реактора, обеспечивающая однородное распределение температуры в шихте приводящей к объемному тепловому взрыву.
2. Методика изучения процессов структурообразования в системе Т1-А1 при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в режиме теплового взрыва с использованием экспериментального комплекса, позволяющая получать продукт заданной стехиометрии.
3. Способы получения монофазных интерметаллических соединений состава Т1А13 и Т1А1 в режиме теплового взрыва.
4. Способ регистрации температуры при детонационно-газовом напылении алюминидов титана с использованием автоматизированной системы.
5. Модель процессов фазообразования в гетерогенной порошковой смеси Л-А1 на основе диаграммы состояния.
6. Возможность использования алюминидов титана для получения защитных покрытий методом детонационно-газового напыления.
10
- Київ+380960830922