Введение к работе
Актуальность проблемы
Современный уровень технологического и промышленного развития
машиностроения, характеризующийся качественным повышением
интенсивности эксплуатационных режимов машин и оборудования,
предполагает ускорение темпов расширения производства композиционных
материалов и изделий, в которых обеспечение оптимальных эффективных
свойств достигается наличием в структуре фаз с взаимодополняющими
комплексами физико-механических и иных параметров. Основным набором
требований предъявляемых к изделиям являются высокая жаропрочность,
стойкость к деструктивным воздействиям: к износу, коррозии, окислению,
действию агрессивных сред. Процессом, обладающим значительным
технологическим потенциалом в отношении получения материалов с
требуемыми свойствами, является самораспространяющийся
высокотемпературный синтез (СВС). Основные преимущества СВС по сравнению с технологическими процессами традиционной порошковой металлургии - простота и надежность используемого оборудования, низкие энергозатраты, чистота продуктов, скорость синтеза - делают его одной из перспективных технологий.
Важнейшей задачей, стоящей перед исследователями физических механизмов СВС, является получение продуктов синтеза требуемого состава и свойств. При этом имеющиеся на сегодня способы и средства достижения указанной цели заключаются преимущественно в изменении внутренних параметров шихты (соотношение компонентов смеси, размеров частиц, использовании инертных добавок и т.п.) при реализации синтеза в режиме послойного горения.
В последнее время многими исследователями подчеркивалось, что СВС в режиме теплового взрыва во многих отношениях перспективнее режима послойного горения, т.к. в этом случае реализуется равномерное распределение легирующих компонентов в объеме конечного продукта, обеспечивается большая полнота выгорания, и что наиболее важно, появляется возможность управления тепловой активностью шихты посредством изменения внешних условий протекания процесса (условия теплоотвода, величина подводимой мощности теплового источника). В то же время, влияние теплофизических условий проведения синтеза в режиме теплового взрыва на фазовый состав и свойства конечного продукта мало изучено. В частности, практически отсутствуют исследования по экспериментальному изучению критических условий теплового взрыва в гетерогенных порошковых системах. Этот вопрос является весьма актуальным, т.к. дает возможность разграничения режимов изотермического жидкофазного спекания, в течение которого процесс хорошо контролируется, и теплового взрыва. Практически не изучен вопрос о влиянии скорости остывания в период вторичного структурообразования на возможность установления равновесных фазовых структур. Последнее представляет большой интерес с точки зрения реализации дополнительной возможности_управления
ЛЕКА I
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА , | CfleTtpf О» **>*:
глубиной превращения и фазовым составом конечного продукта. Работы по исследованию процессов вторичного структурообразования в режиме теплового взрыва при изменении внешних теплофизических условий практически отсутствуют. Следовательно, экспериментальное изучение критических условий теплового взрыва в гетерогенных порошковых средах и анализ процессов вторичного структурообразования при разных режимах остывания смеси может представлять как научный, так и практический интерес с точки зрения новых возможностей получения продуктов синтеза требуемого состава и свойств, управления процессом синтеза. Выбор объекта исследования обусловлен с одной стороны высокими эксплуатационными свойствами интерметаллидов на основе титан — алюминий, с другой - исследованию теплового взрыва в указанной системе посвящено мало работ. Исходя из выше изложенного:
Цель работы заключалась в исследовании влияния теплофизических условий синтеза на процессы структурообразования в гетерогенной порошковой смеси Ті - АІ в режиме теплового взрыва с использованием экспериментального комплекса, основой которого является СВС реактор.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: проектирование и изготовление СВС реактора, реализующего способ управляемого подвода тепла электрическим нагревом боковых стенок реактора для воздействия на теплофизические параметры в ходе реакции, определение эффективного коэффициента теплоотдачи реактора;
экспериментальное определение критических условий теплового взрыва в бинарной системе Ті - А1, для разделения режимов жидкофазного спекания и теплового взрыва;
сопоставление экспериментальной диаграммы зависимости критического
, коэффициента теплоотдачи от температуры стенки реактора с теоретической
моделью теплового взрыва для линейного закона торможения и для случая
торможения слоем продукта при реакционной диффузии, для установления
кинетики синтеза на этапе предварительного разогрева;
изучение взаимосвязи между температурой стенки реактора, глубиной превращения исходных компонентов, фазовым составом, микроструктурой продукта синтеза;
Научная новизна работы:
Разработан экспериментальный комплекс для исследования процессов структурообразования при синтезе в порошковых гетерогенных системах, который предусматривает возможность изменения внешних теплофизических условий; эффективного коэффициента теплоотдачи реактора, температуры стенки реактора, скорости остывания реагирующей шихты в окружающую среду.
Разработана экспериментальная методика определения эффективного коэффициента теплоотдачи стенок реактора в условиях проведения эксперимента с использованием компьютерной обработки кривых остывания инерта, находящегося в полости реактора.
Разработаны теоретические принципы управления реакциями СВ-синтеза
путем теплового воздействия на ход реакции. Получены выражения, дающие возможность сопоставления теоретических и экспериментальных зависимостей критического значения эффективного коэффициента теплоотдачи от температуры стенок реактора для кинетического и диффузионного режимов взаимодействия компонентов. 4. С использованием экспериментального комплекса получена зависимость между критическим коэффициентом теплоотдачи и температурой стенки реактора. Полученная зависимость удовлетворительно согласуется с теоретической моделью, описывающей линейный закон торможения.
Практическая ценность работы состоит в теоретическом и экспериментальном определении критических условий теплового взрыва дающих возможность реализации СВ-синтеза в двух режимах: изотермического жидкофазного спекания, в течение которого процесс хорошо контролируется и образуется однофазный продукт с управляемой глубиной превращения, и теплового взрыва. Установлено, что в режиме теплового взрыва изменение скорости подвода тепла, приводит к изменению механизма формирования микроструктуры продукта. Это дает возможность проведения процесса синтеза с получением продукта требуемого состава и свойств, что является важной задачей прикладного материаловедения. Практическую ценность представляет собой методика определения эффективного коэффициента теплоотдачи стенки реактора с использованием компьютерной обработки данных кривых остывания в условиях эксперимента. Практический интерес представляет также комплексная экспериментальная методика исследования разогрева и остывания гетерогенной порошковой смеси Ті-Al, основой которой является СВС реактор с варьируемым коэффициентом теплоотдачи. Основные защищаемые положения:
1. Методика экспериментального определения эффективного коэффициента
теплоотдачи реактора в условиях проведения синтеза.
2. Методика определения зависимости критического коэффициента
теплоотдачи от температуры стенки реактора.
Соответствие экспериментальной зависимости критического коэффициента теплоотдачи от температуры стенки реактора, которое описывается классической теорией теплового взрыва.
Механизм вторичного структурообразования, зависящий от скорости остывания гетерогенной порошковой смеси Ті - А1.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 работах и приведены в списке.
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на объединенном физическом семинаре АлтПУ, а также на следующих конференциях: Международная конференция «СВС 2000. Проблемы промышленных технологий» — г. Барнаул, 2000г.; IV научно-технической конференции студентов и аспирантов, г.Рубцовск, 2002г.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 104 страницы текста, содержит 46 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 114 наименований.
