Введение к работе
Актуальность проблемы
Ускорение темпов развития технологического и промышленного машиностроения ставит перед исследователями в области фундаментального и прикладного материаловедения задачи получения композиционных материалов с комплексом взаимодополняющих физико -химических, механических и других свойств. Процессом, обладающим значительным технологическим потенциалом в отношении получения композиционных материалов с особыми свойствами, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый А.Г.Мержановым (ныне академиком) и его научной школой. Существенный вклад в развитие этого метода внесли исследования российских ученых Левашова Е.А., Максимова Ю.М., Юхвида В.И., Рогачева А.С., Евстигнеева В.В. Метод отличается низкими энергозатратами, простотой и надежностью оборудования, чистотой синтезированного продукта. СВС можно проводить в двух режимах: послойного горения и теплового взрыва. Как правило, СВ - синтез в режиме теплового взрыва проводят с использованием муфельных печей, в которых быстрое изменение температуры или условий теплоотвода невозможно. Это ограничивает возможности изменения внешних теплофизических условий синтеза, варьированием которых можно управлять процессами структурообразования при синтезе гетерогенных порошковых систем в режиме теплового взрыва, а также изучать указанные процессы.
Для реализации синтеза с целью получения продукта требуемого состава и свойств, необходимо понимание всей сложной совокупности процессов структурообразования, определяющих протекание реакции. С учетом того, что СВ - синтез является процессом быстропротекающим, экспериментальная диагностика динамики процессов фазообразования весьма затруднена. Если в процессах фронтального горения существует метод закалки фронта в клинообразном образце, для процессов теплового взрыва, которые развиваются во времени, применение такого метода исключено. Следовательно, для анализа динамики процессов структурообразования при синтезе в режиме теплового взрыва необходимо с одной стороны совершенствовать экспериментальные методики, с другой стороны разрабатывать и совершенствовать математические модели указанных процессов. В этом отношении любая бинарная система сугубо индивидуальна, и разработка универсальной модели, описывающей макрокинетические закономерности развития процесса горения, не выполнимая задача. Особенности процессов образования и эволюции
фазового состава любой бинарной или многокомпонентной системы определяются спецификой диаграммы состояния. Весьма эффективным способом экспериментального анализа динамики процессов образования фаз, является метод динамической дифрактометрии высокого пространственного и временного разрешения (метод синхротронного излучения). В случае проведения синтеза в режиме теплового взрыва, для изучения процессов эволюции фазового состава при параллельных и последовательных реакциях синтеза этот метод является единственно возможным.
Одной из наиболее важных областей применения синтезированных порошковых материалов, является получение защитных покрытий поверхностей деталей и узлов механизмов и машин. Для этих целей широко используются методы напыления дисперсных материалов, в число которых входят плазменное, электродуговое и детонационно - газовое напыление. При этом плазменное и электродуговое напыление являются непрерывными процессами, детонационно - газовое напыление (ДГН) является процессом импульсным. Процесс ДГН выгодно отличается от других видов нанесения покрытий, прежде всего высокими скоростями дисперсного потока (свыше 1000 м/с) при высокой температуре дисперсного потока (до 2000К). Это позволяет рассматривать установку для детонационно - газового напыления как реактор или активатор химического взаимодействия. 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. Однако вопрос о структуро и фазообразовании в процессах ДГН мало изучен. В связи с этим необходимо заметить, что изучение химизма указанного процесса может дать богатую информацию в отношении возможности управления процессами структурообразования, выбора необходимого режима получения композиционных порошков с одной стороны, и оптимального режима ДГН с другой.
Одним из наиболее перспективных направлений современного материаловедения является создание и разработка титановых сплавов. Последние могут быть использованы в авиастроении, судостроении, пиротехнике и в качестве материалов для выдерживания статических нагрузок в высокотемпературных средах. Интерметаллиды системы Ті - А1 более легкие чем никель — алюминиевые суперсплавы, они не требуют защиты от высокотемпературного окисления, более дешевые и более прочные. Они могут конкурировать с никелевыми суперсплавами не только в аэрокосмической области, но и в других отраслях промышленности. Однако, на сегодняшний день отсутствуют однозначные представления о "механизмах структурообразования в данной системе. Указанные интерметаллидные соединения не использовались при
получении защитных покрытий методом ДГН, в то же время уникальные свойства интерметаллидов данного класса, в сочетании с высокоэффективными технологиями ДГН могут обеспечить весьма надежігую защиту поверхностей изделий, подверженных деструктивным воздействиям. Исходя из изложенного:
Цель работы заключалась в разработке методик и устройств для изучения процессов макрокинетики саморазогрева и фазообразования в технологически значимой системе Ті - А1. В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи: создание экспериментального комплекса для изучения указанных процессов, проводимых в режиме теплового взрыва, выбор режимов проведения синтеза с целью получения монофазного продукта различной стехиометрии при различной дисперсности тугоплавкого компонента с использованием разработанного комплекса, исследование последовательности процессов фазообразования при высокотемпературном синтезе моноалюмида титана в режиме теплового взрыва с использованием метода динамической дифрактометрии, в разработке математической модели динамики процессов структурообразования на основе диаграммы состояния бинарной порошковой смеси Ті - А1 для оптимизации режимов проведения синтеза с целью получения монофазного продукта, получение защитных покрытий из синтезированных алюминидов титана методом детонационно - газового напыления и исследовании их свойств с использованием диагностического комплекса для испытаний покрытий. Научная новизна работы
1 .Спроектирован и создан экспериментальный комплекс для изучения процессов структурообразования на основе специализированного реактора с низкой тепловой инерционностью, позволяющий получать однородное распределение фазового состава по всему реагирующему объему и исследовать процессы вторичного структурообразования в процессах СВС, проводимых в режиме теплового взрыва.
С использованием разработанного экспериментального комплекса проведено исследование процессов структурообразования при синтезе в режиме теплового взрыва в системе Ті - А1. Установлены особенности процессов первичного и вторичного структурообразования при синтезе в порошковых системах состава Ті + ЗА1 и Ті + А1 при различной дисперсности тугоплавкого компонента в исходной шихте.
На основе экспериментального метода динамической дифрактометрии в пучках синхротронного излучения, исследована последовательность процессов структурообразования при СВ - синтезе в режиме теплового взрыва в системе Ті + А1.
4. Для выяснения оптимальных режимов работы экспериментального
комплекса на основе специализированного реактора, разработана
математическая модель процессов фазообразования для бинарных гетерогенных систем с учетом тепловыделения от химической реакции в процессе плавления легкоплавкого компонента в режиме Стефана. Установлены условия полного превращения компонентов в продукт реакции в объеме цилиндрического реактора в зависимости от параметров системы и условий ее взаимодействия с окружающей средой.
Для определения условий проведения СВ - синтеза алюминидов титана с целью получения монофазного продукта, разработана математическая модель макрокинетики саморазогрева и процессов фазообразования в порошковой системе Ті - А1 при синтезе соединений ТіА13 и ТіАІ на основе диаграммы состояния, в режиме теплового взрыва. Результаты расчета математической модели качественно согласуются с экспериментальными данными.
С применением метода детонационно - газового напыления на установке «Катунь - М» получены защитные покрытия из порошковых материалов интерметаллидных соединений ТіА13 и ТіАІ, синтезированных с применением разработанного специализированного реактора. Установлены особенности формирования структуры полученных покрытий.
На основе экспериментально - диагностического комплекса для анализа свойств покрытий, определены их эксплуатационные характеристики: пористость, жаростойкость, стойкость к ударно -абразивному износу поверхности.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный
экспериментальный комплекс на основе специализированного
реактора дает возможность управления процессами
структурообразования в технологически — значимой системе Ті - А1. В
работе экспериментально определены режимы проведения синтеза для
получения монофазных продуктов состава ТіА13 и ТіАІ при различной
дисперсности тугоплавкого компонента, установлена
последовательность образования фаз при первичном и вторичном
структурообразовании. Синтез неравновесных структур,
характеризуемых незавершенностью фазовых превращений, которые
можно получать с использованием специализированного реактора,
также может представлять практический интерес. В результате
проведения экспериментальных исследований с использованием
установки «Катунь - М» впервые получены защитные покрытия из
алюминидов титана методом детонационно — газового напыления,
обладающие комплексом характеристик, которые могут быть полезны
для использования в различных режимах эксплуатации поверхностей.
Созданный экспериментальный комплекс на основе
специализированного реактора может быть использован для изучения
закономерностей протекания самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза в режиме теплового взрыва в других порошковых системах. Защищаемые положения
1. Экспериментальный комплекс на основе специализированного
реактора, позволяющий управлять процессами фазообразования при
СВ - синтезе алюминидов титана в режиме теплового взрыва.
2. Методика исследования процесса СВС в режиме теплового взрыва с
использованием разработанного технологического реактора,
позволяющая изучать процессы первичного и вторичного
структуроооразования в системе Ті - А1 при изменении дисперсности
тугоплавкого компонента в исходной шихте.
3. Режимы проведения синтеза с целью получения монофазных
продуктов состава ТіА13 и ТІА1.
Возможность применения метода динамической дифрактометрии в пучках синхротронного излучения к исследованию процессов теплового взрыва в гетерогенных порошковых системах с точки зрения анализа последовательности образования фаз продукта.
Математическая модель макрокинетики саморазогрева гетерогенных порошковых систем в объеме цилиндрического реактора с учетом плавления легкоплавкого компонента, позволяющая разработать рекомендации по оптимизации работы реактора для получения монофазного продукта, равномерно распределенному по объему спеченного образца.
Математическая модель процессов фазообразования в системе Ті -Al, дающая возможность прогнозирования режимов работы реактора с целью получения продуктов синтеза требуемого состава.
Применение метода детонационно - газового напыления для получения защитных покрытий из алюминидов титана, обладающими высокой жаростойкостью, низкой пористостью, высоким уровнем стойкости к ударно - абразивному износу.
Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VI - м международном симпозиуме по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (Израиль, Хайфа 2001 г), на VII - м международном симпозиуме по самраспространяющемуся высокотемературному синтезу (Краков, 2003 г), На III - семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Новосибирск, 2003), НЕ Международной школе - семинаре посвященном году науки и культуры России в Казахстане (Алма - Аты 2003 г), на международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2004г), на VIII - м международном симпозиуме по самраспространяющемуся высокотемературному
синтезу (Италия, 2005г), на V -й международной конференции по механохимии и механоактивации (Новосибирск, 2006г).
Основные результаты диссертации опубликованы в 37 работах, список которых помещен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 250 страниц, включая 173 рисунков 7 таблиц и 242 библиографических наименований.
