Самораспространяющийся высокотемпературный синтез микро- и нанопорошков карбида титана из гранулированной шихты Самборук, Александр Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы. Карбид титана TiC относится к бескислородным тугоплавким соединениям, которые являются основой современных материалов, предназначенных для работы в экстремальных условиях действия высоких температур, давлений, скоростей, агрессивных сред и т.д. При этом все большее значение приобретает применение порошков карбида титана высокой и особо высокой дисперсности (микро- и нанопорошков), которые обеспечивают существенное улучшение свойств материалов на его основе. Главным промышленным способом производства карбида титана является углетермический способ получения TiC из диоксида титана, который характеризуется большим энергопотреблением на стадии длительного синтеза в печах и при измельчении спеченных брикетов карбида титана в размольных агрегатах. Изобретенный в 1967 году способ самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких соединений, в том числе и карбида титана, выгодно отличается от применяемых ранее способов малым потреблением энергии, высокой производительностью и простым малогабаритным оборудованием. Однако традиционная технология СВС карбида титана основана на нефильтрационном сжигании шихты - исходной смеси порошков титана и сажи - в насыпном виде или в виде прессованных брикетов (таблеток) в замкнутом реакторе, в результате чего происходит значительный рост давления в реакторе и получается сильно спеченный продукт карбида титана. Такой спек трудно поддается дроблению и размолу, особенно в порошок высокой дисперсности. В связи с этим представляется интерес применить для получения высокодисперсного порошка карбида титана запатентованный в 2001 году способ получения тугоплавких соединений на основе процесса СВС с использованием гранулированной шихты и фильтрацией примесных газов, который позволяет получить пористый, слабоспеченый продукт синтеза. Кроме того, для увеличения дисперсности синтезируемого порошка карбида титана и доведения его до наноразмерного уровня представляется интересным использовать различные специальные добавки в шихту, которые бы предотвращали рост синтезируемых карбидных частиц.

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» и в Инженерном центре СВС Самарского государственного технического университета.

Цель работы: исследование закономерностей самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков карбида титана из гранулированной шихты, изучение свойств синтезируемых продуктов и разработка технологического процесса производства порошка TiC.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ существующих технологий и исследование нового способа получения микро- и наноразмерного порошка карбида титана.

2. Выполнение термодинамических расчетов процессов горения исследуемых систем для определения области экспериментальных исследований.

3. Экспериментальные исследования закономерностей горения гранулированной шихты Ti + C, в том числе с разбавлением ее инертными солями и добавлением источника газотранспортного агента.

4. Исследование морфологии и фазового состава продуктов синтеза.

5. Определение условий синтеза, влияющих на химический и фазовый состав продуктов горения и разработка рекомендаций по организации технологического процесса получения мелкодисперсного карбида титана в режиме СВС-ФГ.

Научная новизна.

5. 1. Исследован новый способ получения высокодисперсного порошка карбида титана в режиме СВС из гранулированной шихты с фильтрацией газа, позволяющий существенно снизить давление в реакторе и получить легкоразрушаемый конечный продукт.

   2. Разработана технология приготовления гранулированных шихт и определены условия их сжигания в режимах спутной и встречной фильтрации продуктов горения.

   3. Определены условия получения микро- и нанопорошков карбида титана из гранулированной исходной шихты с разбавлением ее инертными солями и добавлением газотранспортного агента.

   4. Показано, что синтезированный порошок карбида титана является агломератным и состоит из микро- и наночастиц, и это позволяет ему совмещать свойства шлифовального и полировального материала при применении в качестве абразива.

   Достоверность научных результатов работы обусловлена использованием современных апробированных и известных методов исследования, современного программного обеспечения для выполнения расчетов, корректностью использования законов и математического аппарата теплофизики и термодинамики, контролируемостью условий проведения эксперимента и воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными, успешным практическим использованием.

   Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе горения гранулированных шихт в фильтрационном режиме СВС.

   Практическая значимость работы.

   5. 4. 1. Разработан технологический регламент на производство порошка карбида титана методом СВС-ФГ, в котором исключена операция дробления продукта синтеза.

         2. Организовано опытное производство микропорошка карбида титана на учебно-опытной базе «Петра-Дубрава» Самарского государственного технического университета, который поставлялся в ООО «Самарский подшипниковый завод-4». Выпущено более 500 кг порошка карбида титана.

         3. Полученный нанопорошок карбида титана может быть использован в качестве очень тонкого полировального материала, модифицирующих лигатур в сплавах и при спекании керамических изделий.

         Научная и практическая ценность работы подтверждена актами внедрения.

         Основные положения, выносимые на защиту:

         5. 4. 3. 1. Результаты термодинамических расчетов и экспериментальных исследований горения гранулированных шихт.

                  2. Технологические параметры приготовления гранулированных шихт условия их сжигания в режимах спутной и встречной фильтрации продуктов горения.

                  3. Рецептуры исходных шихт с инертными солями и источником газотранспортного агента, позволяющие получить микро- и наноразмерные порошки карбида титана.

                  4. Морфология и фазовый состав продуктов синтеза и результаты его практического применения.

                  5. Технологический процесс получения мелкодисперсного карбида титана в режиме СВС-ФГ.

                  Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях: Научно-технической Интернет-конференции с международным участием, г. Самара, 20 сентября, 2006 г., Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технология. Инновация», НГТУ, г. Новосибирск, 07-10 декабря, 2006 г., V Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 21-22 марта, 2007 г., VII Междунар. научно-технической конференции «Будущее технической науки», Н. Новгород, 16 мая, 2008 г., Междунар. научной конференции «XVI Туполевские чтения», Том I, Казань, 28-29 мая 2008 г., Х Междунар. симпозиуме по СВС, Цахкадзор, Армения, 6-11 июля 2009 г.

                  Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ, в том числе 6 в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК РФ.

                  Личный вклад автора. В рамках диссертационного исследования автором лично выполнены следующие работы:

                  5. 4. 3. 5. 1. Термодинамические расчеты с формулировкой основных закономерностей.

                              2. Выбор исследуемых реакций и их комбинаций для получения целевого продукта синтеза.

                              3. Непосредственное участие в проведении экспериментов.

                              4. Исследование морфологии и составов полученных продуктов.

                              5. Разработка технологического процесса производства карбида титана.

                              Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав,

                              заключения, списка использованных источников из 200 наименований. Диссертация изложена на 196 страницах машинописного текста и содержит 87 рисунка, 23 таблицы и 2 приложения на 2 листах.

                              Похожие диссертации на Самораспространяющийся высокотемпературный синтез микро- и нанопорошков карбида титана из гранулированной шихты

                              Самораспространяющийся высокотемпературный синтез микро- и нанопорошков нитрида алюминия и карбида кремния с применением азида натрия и галоидных солейТитова, Юлия Владимировна

                              Термообработка твердых сплавов на основе СВС-карбида титанаВласов, Валерии Анатольевич

                              СВС-измельчение тугоплавких бескислородных соединений металлов (на примере карбида титана)Майзелия, Аркадий Викторович

                              Морфологические и структурные особенности карбида титана и твердых сплавов на его основеДжалабадзе, Николай Васильевич

                              

                              Горение гранулированной железоалюминиевой термитной смеси при получении железа и его композита с карбидом титанаЯценко, Владимир Владимирович

                              

                              Синтез нанодисперсных пленок титаната свинца и карбида вольфрама методом импульсной фотонной обработкиСербин Олег Викторович

                              

                              Защитные слои боридов и карбидов титана и циркония на железоуглеродистых сплавахЦыренжапов Батор Базаржапович

                              

                              Синтез металлоксидных структур на поверхности карбида кремния с применением хлорида титана, оксохлоридов хрома и ванадияАнисимов, Константин Сергеевич

                              

                              Синтез шихт для стекол радиационно-технического назначенияОнищук Виктор Иванович

                              Совершенствование производства стекольной шихты и синтез системы управления дозировочно-смесительной линией Чесноков Александр Георгиевич