Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 5
1.1. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС): /теория и практика 6
1.2. СВС-металлургия: фундаментальные и прикладные задачи 10
1.3. Интерметаллиды, бориды, сплавы и композиционные материалы 19
1.4. Научные задачи исследования 26
2. Методики проведения экспериментов и анализа продуктов синтеза 27
2.1. Исходные компоненты и смеси 27
2.2. Экспериментальные установки и методики проведения экспериментов 29
2.3. Методики анализа продуктов синтеза 33
3. Высокоэнергетическое химическое стимулирование автоволнового синтеза в слабоэкзотермических элементных системах 35
3.1. Система Ті - А1 / Са02 - А1 35
3.2. Система Ті - Сг - В / Са02 - А1 47
3.3. Моделирование автоволнового синтеза в гибридных системах 59
4. Закономерности СВС литых многокомпонентных сплавов 67
4.1. Автоволновой синтез сплавов на основе Со - А1 67
4.2. Автоволновой синтез сплавов Ni - Со - Mn - А1 76
4.3. СВС легких сплавов на основе Ті - А1 - Nb - V - Cr 89
5. Разработка приложений для решения практических задач 96
5.1. Опытная центробежная СВС-технология получения литых дисковых и стержневых электродов из сплава на основе Со-А1 для получения защитных покрытий 97
5.2. Опытная центробежная СВС-технология каталитических материалов и создание каталитических фильтров 104
Выводы 115
- СВС-металлургия: фундаментальные и прикладные задачи
- Экспериментальные установки и методики проведения экспериментов
- Моделирование автоволнового синтеза в гибридных системах
- СВС легких сплавов на основе Ті - А1 - Nb - V - Cr
Введение к работе
Композиционные многокомпонентные материалы на основе интерметаллидов никеля и кобальта обладают уникальными свойствами (высокая прочность, износостойкость и коррозионная стойкость в агрессивной среде при высокой температуре и т.д.) и находят широкое применение в науке и практике. Большие перспективы для решения практических задач в будущем имеют легкие прочные материалы на основе интерметаллидов, карбидов и боридов титана. В настоящее время в промышленности эти материалы и изделия из них получают в вакуумных печах при высокой температуре в течение длительного времени с большими затратами электроэнергии.
В 80-е годы в лаборатории "Жидкофазные СВС-процессы и литые материалы" ИСМАН была показана возможность автоволнового синтеза литых тугоплавких материалов в центробежных установках под воздействием перегрузки, используя смеси термитного типа. Последующее развитие этих исследований привело к созданию фундаментальных основ центробежной СВС-технологии литых тугоплавких неорганических материалов.
Диссертационная работа является продолжением этих исследований. Новизна постановки диссертационного исследования состоит в разработке новых методов автоволнового центробежного синтеза, получении новых литых многокомпонентных сплавов на основе алюминидов титана, никеля и кобальта, решении ряда прикладных задач, таких как создание материалов и основ опытных технологий для получения защитных покрытий, материалов для получения высокоэффективных катализаторов.
Для решения этих задач проведены экспериментальные исследования на широком круге систем, направленные на управление процессом автоволнового синтеза, химическим и фазовым составом литых сплавов на основе интерметаллидов и функциональных композиционных материалов.
СВС-металлургия: фундаментальные и прикладные задачи
Первые работы по высокотемпературным жидкофазным СВС-процессам: (СВС-металлургии) были опубликованы в 1975 — 1980 годы В.ИЛОхвидом, А.Г.Мержановым и И.П.Боровинской с коллегами [26-28]. В этих работах были сформулированы основные направления фундаментальных и прикладных исследований. Первые зарубежные исследования в этой области впервые были выполнены О. Одаварой с коллегами (Япония) в 1980 г [29]. Эти исследования преимущественно носили практический характер и были направлены на разработку технологии получения труб большого размера при горении железоалюминиевого термита. Позднее С. Вуйтицкий (США) в 1990 году сконструировал радиальную центробежную установку и провел исследования по получению литых твердых сплавов на основе карбида вольфрама [30]. Большая часть дальнейших зарубежных исследований в Японии, Китае, Италии и др., была также посвящена горению высокоэкзотермических термитных составов в трубчатых вращающихся формах и созданию промышленной СВС-технологии крупногабаритных трубчатых изделий и покрытий [31, 32]. Хорошим результатом таких прикладных исследований, проводимых под руководством С. Г. Жанг (Китай), является создание производства металлокерамических труб большого диаметра. Следует отметить, что ближайшим предшественником СВС-металлургии является металлотермия, открытая еще в прошлом столетии Бекетовым. В основе металлотермии заложено сжигание термитных смесей при атмосферном давлении с целью получения металлов и сплавов. В промышленности металлотермию используют для получения ферросплавов, лигатур и модификаторов, которые необходимы для производства высококачественных сталей [33]. В отличие от металлотермии СВС-металлургия сочетает в себе восстановительную (термитную) и элементную (СВС) химические стадии. Высокая температура горения (3000 - 4000 С) и интенсивный разброс расплава при горении вызывают необходимость проводить процесс под давлением газа или при центробежном воздействии (перегрузке). Эти методические приемы, а также другие химические и физические воздействия (электромагнитные и ультразвуковые и т.д.) позволяют управлять процессами горения, химического превращения, формировать состав и структуру продуктов синтеза.
В создании теории и практики СВС-металлургии более чем за 30 лет большое участие приняли В.Н. Санин, В.А Горшков, К.Г. Шкадинский, А.Р. Качин, А.Р. Баграмян, С.Л. Силяков, С.А. Каратасков, В.А. Яшин, Н.В. Сачкова, В.И. Ратников, Г.А. Вишнякова, А.Ф.Беликова, В.Ю. Постников, СП. Синев, М.З. Баранов, Н.Н. Тимохин, Д.Т. Бежитадзе, Ш.В. Гедеванишвили, Г.В. Захаров, А.В. Симонян, А.И. Трофимов, В.В. Деев, Т.И. Игнатьева, В.И. Пономарев, Т.П. Ивлева, И.С. Гордополова, П.В. Жирков, А.Ю. Довженко и др [26-28,34-76]. В Институте структурной макрокинетики проблем материаловедения (ИСМАН) в рамках СВС-металлургии сложились и продолжают развиваться три направления: -изучение закономерностей и механизма высокотемпературного жидкофазного горения, -проведение химических синтезов, изучение механизма структурообразования и свойств литых СВС-продуктов; -организация технологических работ по получению литых материалов, изделий и покрытий (получение слитков, наплавка защитных покрытий, изготовление трубчатых изделий и др.) и их практическая реализация. В СВС-металлургии для синтеза используют смеси оксидов металлов (W03, М0О3, СгОз, V205, Сг203, ТЮ2, и др.) с активными восстановителями (А1, Mg) и неметаллами (С, В, Si, В20з, Si02 и др.). В отличие от металлотермии и классического варианта СВС, СВС-металлургия сочетает в себе восстановительную (термитную) и элементную (СВС) химические стадии. Широкий круг смесей термитного типа способен гореть. При горении реализуется высокая температура (3000 - 4000 С). При такой температуре исходные компоненты и конечные продукты находятся в жидкофазном состоянии. Использование многокомпонетных смесей, протекание химических и физических процессов в высокотемпературных расплавах определяет своеобразие СВС-металлургии и многостадийность процесса. В СВС-металлургии можно выделить 3 основные стадии: 1 - горение (химическое превращение), 2 - фазоразделение, 3 — кристаллизация и формирование структуры. Горение высококалорийных смесей окислов металлов с восстановителями металлами и неметаллами сопровождается сильным разбросом расплава и протекает во взрывоподобном режиме. Повышенное давление газа (аргона, азота, воздуха) подавляет разброс и переводит горение в управляемый стационарный режим. В условиях, когда разброс подавлен, скорость горения можно изменять в несколько раз, варьируя давление, начальную температуру, состав смеси и дисперсность ее реагентов [34-42]. Полнотой выхода "металлической " фазы (карбидов, боридов, твердых сплавов и т.д.) в слиток можно управлять, изменяя ее от расчетного значения до О за счет разбавления смеси "холодными" составами и инертными добавками [34, 35, 43].
Это позволяет получать три класса материалов: разделенные, градиентные (частично разделенные) и керметные (перемешанные). Все три класса материалов нашли применение в практике. В общем случае при синтезе образуются три фазы: литой слой, диспергат и газообразные продукты. Каждая из фаз содержит весь набор исходных элементов, но массовые доли их различны. Металлическая фаза содержит главным образом целевые элементы и в качестве основной примеси - А1. Окисный слой и диспергат состоят в основном из AI2O3. Хроматографический анализ показал, что при введении в исходную шихту углерода газовая фаза продуктов горения содержит после охлаждения СО и С2Н2. С ростом размера частиц углерода масса газа уменьшается [44, 60]. По данным термодинамического анализа при высокой температуре газовая фаза продуктов горения содержит также субокислы и пары металлов. Локальный анализ шлакового слоя показал, что целевые элементы в нем содержатся как в виде раствора исходного окисла в А1203, так и в виде мелких металлических корольков [37, 38, 45, 46]. Исследования выявили возможность осуществления СВС литых материалов, в том числе карбидов хрома, в неперемешанных (слоевых) системах, причем их химический состав мало отличается от состава литых продуктов, полученных в перемешанных системах [34, 47]. Результаты химического анализа литых продуктов горения свидетельствуют о том, что "металлическая" фаза, как правило, содержит дефицит неметалла и примесь восстановителя (А1, Ті и др.). В связи с этим было предпринято исследование, направленное на получение высших фаз с необходимым содержанием неметалла и уменьшение содержания примесей, в литых тугоплавких соединениях и твердых сплавах. Основное внимание уделено получению карбидных систем из смесей окислов металлов с алюминием и углеродом [45, 46, 49, 50].
Экспериментальные установки и методики проведения экспериментов
Исследования проводили в установке открытого сжигания (рис.2.1) и в центробежной установке (рис.2.2). Установку открытого сжигания использовали для подбора исходных составов и исследования характера и скорости распространения фронта горения, в зависимости от соотношения компонентов исходной смеси, доли инертного разбавителя или энергетической добавки. Смеси, массой 20 — 30 г, сжигали в прозрачных кварцевых формах (диаметром 16-30 мм) на атмосфере. Открытый доступ обеспечил возможность проводить видеосъемку процесса горения. Последующая компьютерная обработка полученного видеоизображения позволила проводить измерения скорости горения. Основные серии экспериментов проводили на радиальных центробежных установках различных конструкций при атмосферном давлении в воздушной среде под воздействием высокой перегрузки (до 1000g). Для изучения закономерностей СВС использовали навески массой от 10 до 300 г. Смеси сжигали в кварцевых (до 30 г) и графитовых (более 30 г) формах. Использование кварцевых форм позволило производить измерение скорости горения с помощью каскада фотодиодов (5) с последующей регистрацией и обработкой полученных сигналов от фотодиодов через коллектор (3) на регистрирующий блок компьютера. Величину перегрузки варьировали от 1 до lOOOg, где g — ускорение свободного падения. С целью минимизации химического взаимодействия расплавов с материалом формы, на внутреннюю поверхность графитовых форм наносили защитный слой. Для создания защитного слоя на поверхность формы наносили суспензию из порошков тугоплавких соединений (Y203 А12Оз Cr203, NiB, TiN) и безкремнеземного органического связующего "Алюмокс", а затем прокаливали при температуре 300 С в электропечи. Методика динамической рентгенографии. Эту методику использовали для исследования механизма химического взаимодействия (изменения фазового состава во времени) в реакционных смесях.
Данная методика была адаптирована для плавящихся СВС-систем термитного типа. Разработка методики принадлежит В.И. Пономареву [70]. Шихта равномерно наносилась на поверхность керамической пластины (1) слоем толщиной около 1 мм. Толщина слоя подбиралась таким образом, чтобы не происходило образование крупных капель расплава продуктов синтеза и их последующее стекание по горизонтальной поверхности. Зажигание осуществлялось с торца при помощи вольфрамовой спирали (5) (рис.2.3). В качестве источника рентгеновского излучения использовалась стандартная трубка (1) типа БСВ-27 с медным анодом (А, = 1,54178 А). Пучок монохроматизировался и фокусировался на поверхности образца (6). Регистрация дифракционного спектра осуществлялась линейным однокоординатным детектором (7). Продукты горения исследовали с помощью химического, рентгенофазового и локального рентгеноспектрального анализов. Для химического, рентгенофазового анализов продукты синтеза измельчали в порошок с размером частиц бОмкм. Химический анализ продуктов синтеза проводили по традиционным методикам лаборатории химического анализа ИСМАН. Сущность метода при анализе на А1. Метод основан на отделении алюминия от сопутствующих металлов гидроокисью калия. Оставшийся в растворе алюминий связывают в комплекс раствором трилона Б, избыток трилона Б оттитровывают стандартным раствором сернокислого цинка в присутствии индикатора ПАР [4-(2-пиридилазо)-резорцина], разлагают комплексонат алюминия фторидом аммония и определяют алюминий титрованием стандартным раствором сернокислого цинка в присутствии индикатора ПАР. Сущность метода при анализе на Ті. Титан определяют дифференциальным спектрофотометрическим методом, основанном на образовании в кислых растворах комплексного соединения титана с диантипирилметаном, окрашенного в золотисто-желтый цвет. Сущность метода при анализе на Ni. Никель определяют атомно-абсорбционным методом (при массовой доле никеля от 5 до 30%) и гравиметрическим методом (при массовой доле никеля 20 - 70%). Атомно-абсорбционный метод основан на измерении абсорбции света атомами никеля, образующимися при введении анализируемого раствора в пламя ацетилен-воздух. Гравиметрический метод основан на осаждении никеля в аммиачном растворе диметилглиоксимом в виде малорастворимого внутрикомплексного соединения в присутствии винной кислоты. Сущность метода при анализе на кобальт. Кобальт определяют атомно-абсорбционным методом. Метод основан на измерении абсорбции света атомами кобальта, образующимися при введении анализируемого раствора в пламя ацетилен-воздух.
Сущность метода при анализе на бор. Метод основан на потенциометрическом титровании раствором щелочи при рН 6,9 маннитборной кислоты, образующейся при добавлении маннита в анализируемый раствор. Сущность метода при анализе на кислород. Кислород определяют методом ИК-излучения. Метод основан на восстановительном плавлении навески образца в потоке инертного газа и количественном анализе образовавшейся газовой смеси методом инфракрасного поглощения. Рентгенофазовый анализ проведен с помощью дифрактометра «ДРОН-2». Локальный рентгеноспектральный анализ выполнен со шлифов на рентгеноспектральном электронно-зондовом микроанализаторе JCXA-733 «Superprobe». В данном разделе работы экспериментально и методами термодинамики изучена возможность стимулирования горения высокоэкзотермическими добавками низкокалорийных элементных систем, не способных к горению, влияние высокоэнергетической добавки Са02 - А1 и перегрузки на горение Ті - А1 и Ті - Сг - В, формирование состава и структуры продуктов синтеза [131, 132, 139, 144]. Большое внимание в исследованиях уделено возможности повышения температуры горения выше температуры плавления продуктов синтеза и получению их в литом виде. Закономерности горения системы (xTi + уА1) + а(ЗСаОг + 2АІ). В данном параграфе диссертации поставлена задача - исследовать возможность получения сплавов на основе литых алюминидов титана методами СВС-металлургии. Для реализации самоподдерживающегося режима и получения высокотемпературных расплавов алюминидов титана использовали комбинированные смеси, содержащие "целевую" и "энергетическую" составляющую. Для управления синтезом, составом и структурой литых материалов синтез проводили в центробежных установках. Предварительные эксперименты, проведенные в установке открытого сжигания (рис.2.1), выявили, что смеси ЗТІ - А1, Ті - А1, Ті - ЗА1 не способны гореть. Напротив, стехиометрическая смесь ЗСа02 - 2А1 устойчиво горит, а продуктом ее горения является литой оксид СаО х А12Оз- В таблице 3.1.1 приведены результаты термодинамического расчета равновесного состава продуктов химического превращения и температуры горения для ряда стехиометрических смесей пероксидов металлов с алюминием. Из таблицы следует, что температура горения смеси 3Ca02 + 2А1 превышает 3800 К.
Моделирование автоволнового синтеза в гибридных системах
Качественное моделирование, оценки и сопоставление с экспериментом проведены на примере гибридной системы х Ti/Al + у СаОг/АІ. Исходя из результатов экспериментального исследования, в процессе автоволнового синтеза в этой системе можно выделить 3 основные стадии (рис. 3.3.1 а, б и в): Для описания 1-ой стадии использованы представления, полученные при моделировании горения в системе СгОз-Сг [75]. В развитие этих представлений рассмотрим процесс распространения стационарной одномерной волны горения по слою гибридной смеси х Ti/Al + у СаОг/АІ в адиабатических условиях. В волне горения рис.3.3.2 можно выделить: 1 - зону прогрева исходной смеси, 2 - зону химического превращения исходной смеси в конечные продукты и 3 - зону постпроцессов. В составе конечных продуктов присутствует газовая фаза, которая состоит из субокислов и паров алюминия. В исходном состоянии все компоненты гибридной смеси находятся в твердом состоянии, а конечные продукты горения, в зависимости от соотношения х и у - в жидком или твердом состоянии. Брутто-схема химического превращения в зоне 2 имеет вид: где х и у массовые доли элементной и термитной смесей в % масс, х + у = 100, Q - тепловой эффект реакции (1). Рассмотрим качественную динамику химических и фазовых превращений в волне горения. По мере повышения температуры в локальном объеме смеси последовательно происходят следующие процессы: разложение пероксида кальция (703 К) с выделение свободного кислорода, последовательное плавление А1 (933 К) и Ті (1941 К) последовательное плавление оксидных пленок на поверхности частиц А1 (Тпл (А1203) = 2326 К) и Ті (Тпл (ТЮ2) = 2143 К) после разрушения (плавления) оксидных пленок становится возможным контакт А1 и Ті с кислородом и их химическое взаимодействие: завершающей стадии горения происходит тепловая и химическая гомогенизация, формирование конечного равновесного состава расплава продуктов горения (Ti-Al и Для проведения численных оценок и сопоставления с результатами эксперимента рассмотрим процессы горения и фазоразделения в гибридной системе: Расчетная конечная температура горения в этой системе - 3000 К (рис.3.3.3). При этой температуре продукты горения, ТІА1 (Тпл = 1730 К) [20] и оксидный раствор с составом 3 СаО х А1203 (Тпл = 1800 К) [33, 134] находятся в жидкофазном состоянии.
Необходимые для оценок данные приведены в таблице 3.3.1. При создании изделий различного функционального назначения наиболее широко используются металлические материалы. Зачастую баланс требуемых свойств достигается путем легирования основы (Fe, Со, Ni, Ті и др.) такими элементами как W, Nb, Mo, Сг, Ті, А1, Та, Re, V, С и т.п. Суть многокомпонентного легирования состоит в обеспечении функциональных свойств, путём совершенствования гетерофазного строения, включающего контролируемое выделение частиц целевой фазы, целенаправленном изменении морфологии параметров кристаллических решёток, их влияния на дислокационную структуру сплавов, а также на протекание диффузионных процессов [98]. В данной главе рассмотрена возможность получения методом СВС-металлургии различных сложных сплавов, имеющих как промышленное применение, так и перспективы к внедрению в другие области. Основное внимание уделено изучению закономерностей формирования фазового состава, макро- и микроструктуры сплава в условиях воздействия высокой гравитации, поиску оптимального соотношения параметров синтеза [136, 137, 142, 145]. Многокомпонентные жаростойкие сплавы, как правило, применяют для нанесения защитных покрытий на детали ГТД и ГТУ. Возможность получения таких сплавов методами СВС-металлургии была изучена на примере синтеза жаропрочного сплава на Co-основе (СВС-Ц). Химический состав этого сплава приведен в таблице 4.1.1. Для получения сплава СВС-Ц были подобраны исходные компоненты и их соотношения (базовые составы) (таблица 4.1.2) [136, 137]. Термодинамический расчет показал, что адиабатическая температура горения такой системы составляет 2800 - 2900 С и существенно превышает температуру плавления всех конечных продуктов, а равновесный химический состав металлической фазы близок к табличному. Закономерности горения и фазоразделения. Экспериментальные исследования показали, что горение базового состава (таблица 4.1.2) в нормальных условиях (Р = ОДМПа, a = lg) протекает в стационарном режиме со скоростью 1,5 - 2,0 см/с, сопровождается интенсивным разбросом, продукты горения имеют плавленый вид и разделяются на два слоя, выход целевых элементов в слиток существенно меньше расчетного. Воздействие перегрузки приводит к возрастанию скорости горения (рис.4.1.1), подавлению разброса и увеличению выхода целевых элементов в металлический слиток (рис.4.1.2) [136, 137]. Из таблицы 4.1.4 следует, что с ростом перегрузки содержание всех легирующих элементов в сплаве возрастает, что свидетельствует об увеличении полноты окислительно-восстановительных реакций с участием алюминия и уменьшении потерь углерода на восстановление оксидов.
Следует отметить, что наиболее сильно химический состав сплава изменяется в интервале перегрузки до 200g. В последующих экспериментах при постоянной перегрузке а = 250g изучено влияние состава исходной смеси на конечный состав металлического слоя продуктов горения. С ростом содержания углерода в исходной смеси содержание хрома и связанного углерода в сплаве СВС-Ц заметно возрастало, при этом содержание других элементов практически не изменялось (рис.4.1.3) [136]. Микроструктура сплава СВС-Ц и состав структурных составляющих. Сопоставительный анализ микроструктуры сплава, полученного методом центробежной СВС-металлургии (СВС-Ц), и его прототипа промышленного сплава (ХТН-61) показал их существенное различие (рис. 4.1.5) [136]. Промышленный сплав (ХТН-61) (рис.4.1.5 а) имеет крупные (до ЮОмкм) включения упрочняющих фаз (карбидов Nb, Сг и интерметаллидов). Напротив, сплав СВС-Ц (рис.4.1.5 б) имеет тонко распределенные структурные компоненты, т.е. не имеет ликвации {нулевая ликвация) и неоднородностей, а размер структурных составляющих уменьшился более чем в 10 раз и имеет в своем составе наноструктурные составляющие. Рост перегрузки приводит к интенсификации гравитационного конвективного движения расплава, которое обеспечивает выравнивание химического состава расплава и ускоряет процесс его охлаждения. Быстрое охлаждение приводит к формированию мелкозернистой структуры.
СВС легких сплавов на основе Ті - А1 - Nb - V - Cr
Для создания нового поколения ГТД наиболее перспективными являются материалы на основе алюминидов титана. Замечательный комплекс свойств: малый удельный вес, высокие коррозионная стойкость, жаропрочность и жаростойкость делают их привлекательными для авиакосмической техники и энергетики. Несмотря на выше указанные преимущества, алюминиды титана до сих пор не нашли массового промышленного применения. Обусловлено это следующими основными причинами: алюминиды титана имеют низкую пластичность при нормальных температурах, недостаточно хорошие усталостные свойства, сравнительно высокую скорость роста трещин и высокие затраты при их получении. Кроме того, сами методы получения сплавов на основе алюминидов титана сложны и энергозатратны (высокотемпературные вакуумные печи, многостадийный передел, дорогое сырье, плохая воспроизводимость состава и свойств). Наиболее вероятным решением этой проблемы является легирование и модифицирование такими добавками как Nb, Cr, V и др. в сочетании с разработкой новых передовых технологий. В настоящем разделе диссертационной работы представлены результаты исследований по разработке центробежного варианта СВС-металлургии легированных сплавов Ti-Al-Nb и Ti-Al-V-Cr [140, 141]. Для получения сплавов использовали следующие химические где x, у, z, n - массовые доли базовой смеси, энергетической добавки, металлического и оксидного продукта. Соотношение компонент в базовой смеси выбрано таким образом, чтобы содержание целевых компонент в металлической фазе составляло Ti/Al/Nb = 53,8/29,0/17,2 и Ti/Al/V/Cr = 53/14/24/19 при полном восстановлении оксидов. Эксперименты в установке открытого сжигания показали, что базовые смеси способны к горению, но продуктами их горения имеет вид спека, в котором оксидная и металлическая фазы перемешаны друг в друге. При добавлении 30 % масс, энергетической смеси ЗСа02 + 2А1 или 2СаСЮ4 + 2А1, продукты горения имеют плавленый вид, но плохо разделены. Под воздействием перегрузки более 300g металлическая (Ti-Al-Nb или Ti-Al-V-Cr) и оксидная (А12Оз-СаО) фазы хорошо разделяются на 2 слоя, рис.4.3.1. Суммарное содержание примесей в сплаве составляет от 0,6 до 0,8 %. Основными примесями являются углерод и кислород. Содержание кислорода в слитке составляет 0,1 - 0,3 % масс.
Источником углерода в сплаве является графитовая форма, в которой проводят синтез. Контакт расплава продуктов горения с графитовой формой можно устранить с помощью защитных покрытий. В качестве материала для защитных покрытий использовали оксидный твердый раствор (А12Оз-Сг2Оз). Суспензию из частиц твердого раствора АІ2О3-СГ2О3 и органического связующего наносили на рабочую поверхность формы и затем прокаливали при температуре 600 С. Слитки Ti-Al-Nb, полученные в таких формах, содержат не более 0,1 % С. Микроструктура сплава Ti-Al-Nb сформирована из округлых зерен диаметром 10 - 30 мкм с узкими границами между ними (рис.4.3.2). Из результатов микроанализа следует, что Ті и А1 равномерно распределены по шлифу, a Nb локализован по границам зерен (рис.4.3.3) [140]. Предположительно границы состоят из интерметаллидной фазы NbTiAl2. Следует отметить, что кислород, также как и ниобий, расположен на границах зерен. Надо отметить, что все синтезируемые слитки имели достаточно высокое содержание кислорода (0,1 - 0,3% вес). Из литературы известно [102], что содержание кислорода понижает механические характеристики, поэтому снижение кислорода в сплавах Ti-Al-Nb будет предметом дальнейших исследований. Анализ литературы показывает, что большинство разрабатываемых интерметаллидных сплавов на основе алюминидов титана содержат не менее трех легирующих компонентов и можно прогнозировать, что их количество по мере проведения дальнейших исследований будет только возрастать. Надо отметить, что возможности процесса СВС по введению широкого круга легирующих компонентов практически не ограничены, что является хорошей перспективой для проведения исследований с целью создания сплавов на основе алюминидов титана, модифицированных такими компонентами, как Сг, V, Si, Мп, Та, Re. 5. Разработка приложений для решения практических задач. Проведенные в главах 3-4 диссертации экспериментальные исследования стали научной основой для разработки опытной центробежной СВС-технологии ряда полезных для практики литых материалов, изделий и покрытий, таких как дисковые и стержневые электроды из жаростойких сплавов для получения защитных покрытий методами электроискрового легирования; каталитические фильтры для нейтрализации продуктов сгорания. Для разработки практических приложений в данной части работы (глава 5) был решен ряд задач: создание экспериментальной оснастки; исследование влияния масштабного фактора на автоволновой синтез и продукты синтеза, отработка составов и режимов синтеза; определены области надежной воспроизводимости состава, структуры и свойств литых материалов, проведены испытания опытных партий у потребителей продукции. Результаты исследований, представленные в главе 4, могут послужить основой для создания центробежных СВС-технологий получения ряда литых интерметаллидных материалов и изделий из них.
Закономерным продолжением таких работ является разработка одностадийной технологии получения литых изделий (отливок) непосредственно (in situ) в процессе СВС. Целью исследований, представленных в данном параграфе, является поиск оптимальных экспериментальных условий и технологических подходов для создания энергоэффективной, инновационной технологии получения материалов и изделий (литых электродов) для нанесения защитных покрытий на детали машин, работающих в экстремальных условиях [136]. Комплекс проведенных исследований включает в себя 2 части: 1 - разработка методов получения дисковых и стержневых электродов из жаростойких сплавов. 2 — разработка электроискрового метода получения защитных покрытий из жаростойких сплавов, полученных соискателем, и определение свойств покрытий. Эти исследования провели Е.А. Левашов и А.Е. Кудряшов в МИСИС. Для получения электродов использовали оптимальный высокоэкзотермический состав, разработанный в предыдущей части исследования и позволяющий получать жаростойкий сплав на Co-основе (СВС-Ц), близкий по химическому составу к промышленному авиационному сплаву ХТН-61. Установка, оснастка и методика проведения экспериментов. Для получения тонких (1 - 5мм) электродов цилиндрической формы используют центробежную установку. В роторе центробежной установки размещают двухсекционную форму из графита (рис.5.1.1), состоящую из тигля и блока формообразующих элементов [136]. После смешения исходную экзотермическую смесь (3) помещают в тигель, отделенный фольгой (4) от матрицы (5) и формообразующих кварцевых трубок (6). После сгорания экзотермической смеси образовавшийся металлический расплав под воздействием гравитации заполняет кварцевые формообразующие трубки. После кристаллизации цилиндрические электроды извлекают из трубок. Вариация толщины и материала прокладки позволяет изменять задержку времени до начала слива расплава в кварцевые трубки и осуществлять слив после разделения металлической и оксидной фаз.
Похожие диссертации на СВС литых сплавов на основе интерметаллидов и функциональных композиционных материалов под центробежным воздействием
