Введение к работе
Актуальность твмы. Тугоплавкие соединения (ТС) металлов: интерметаллиды, силицида, бориди, карбиды и др. являются основой современных композиционных материалов и защитных покрытии. Синтез ТС как в виде чистых веществ, так и в структуре композиционных материалов и защитных покрытий, представляет собой экзотермический высокотемпературный процесс, имеющий сложный многостадийный характер. В его основе лежат тэкие явления как гвтерофазннв реакции, теплоперенос, микро- и макроскопический перенос в твердых, жидких и газообразных средах. Кинетика реакций и процессов переноса стимулируется повышением температуры за счет теплопе-реноса и тепловыделения при образовании конечного продукта.
Формирование тугоплавких соединений имеет следующие характерные особенности: 1) конечный продукт находится в твердом состоянии в широком интервале температур процесса; 2) исходные и/или промежуточные вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии и испытывать фазовые переходы; 3) тепло- и массоперенос в различных фазах оказывают существенное влияние на кинетику и механизм гетерофазных реакций; 4) совместно протекающие тепломассоперенос и гвтерофазные реакции непосредственно воздействуют на структуру и состав получаемого продукта и, в конечном итоге, на его свойства; 5) указанные явления по-репному проявляются в различных конкретных системах и процессах.
Таким образом, в рассматриваемых системах конечный результат определяется действием группы физических явлений. Каждое из них в отдельности хорошо изучено: детально разработаны теория конвективного и кондуктивного теплообмена в многофазных средах, теория диффузионного переноса в твердых телах, теоретические основы фазовых превращений в твердом состоянии, юс етика гетерогенных реакций, теория фильтрации» теория переноса при спекании, тепловая теория СВС-процессов. Однако совместное действие группы явлений и их влияние на фазо- и структурообразование материалов, влияние смены контролирующих факторов й теоретическом плане не исследовано. Совместное действие нескольких факторов проявляется на начальных стадиях и таких медленнопротекающих процессов, как термическая (ТО) й химико-термическая обработка (ХТО) металлов и сплавов, спекание гетерофазных порошковых композиций и др. Наиболее отчетливо влияние одновременного действия тешюмассо-
переноса и гетерофазных реакций проявляется в современных быстро-протекающих процессах, типичным представителем которых является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВР). Для них характерно: малый размер исходных частиц (~1-Ю0 мкм), высокие градиенты температуры (до 10 К/см) и концентраций элементов, высокая скорость нагрева (до 106 К/с), малое время завершения процесса (от "1 с до ~1 мин) и нетрадициошше механизмы фазо- и структурообразования ТС. Это дает возможность интенсифицировать процесс и обеспечивать получение оптимальных свойств продукта.
К современным технологиям предъявляется требование получения материалов с ваданными структурой, фазовым составом и свойствами. Решение этих проблем возможно только на основе теории, в которой необходимо учитывать: а) совместное протекание нескольких явлений и их взаимовлияние при образовании тугоплавких соединений; б) особенности макрокиНетического механизма тепломассопереноса и гетерофазных реакций в различных системах; в) влияние этих процессов на фазо- и структурооОразование материала. Проведение-подобных исследований актуально как для оптимизации процессов ТО, ХТО, спекания и т.п., так и для современных интенсивных процессов получения тугоплавких. соединений, материалов и покрытий: СВС, технология тонких пленок и др.
Представленные в диссертации исследования выполнены в рамках хоздоговорных рвбот Белорусской государственной политехнической академии, координационного плана работ МНТК "Термосинтез", работ по программе "Энергия" АН БССР на 1981-1985 гг., раздел Н.а (N г.р. 81009161) и по программе Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь (тема Т16-221).
Цель работы: разработка макрокинетической теории многостадийных процессов высокотемпературных тепло- и массопереноса и гетерофазных реакций в условиях совместного действия нескольких факторов, анализ влияния переходных стадий процесса и смены режимов на кинетику фазо- и структурообразования при получении тугоплавких Материалов и защитных покрытий.
Научная новизна работы. Исследовано влияние процессов тепломассопереноса в твердой, газовой и жидкой фазе на режимы формирования и роста тугоплавких соединений, проанализировано воздействие смены режимов тепломассопереноса на макрокинетику фазо- и структурообразования.
Впервые разработана теория тепловых явлений, формирования и роста интерметаллических соединений при совместно протекающих диффузионном переносе в твердых телах, твердофазных реакциях и зародашеобразовании, которая охватывает существующие модели для предельных случаев. Показано влияние особенностей протекания твердофазных реакций и зародышеобразования на кинетику диффузионного переноса, движение меэфазннх границ и фазовый состав системы.
Исследовано влияние перехода от газофазного к жидкофазному переносу на тепловые явления и структурообрэзование при спекания порошковых материалов и СВС в системах, в которых адиабатическая температура реакции нижа температуры образования расплава. Предсказана роль газотранспортных процессов при создании требуемой макроструктуры материалов и получения защитных покрытий.
Впервые разработана модель тепловых явлений в СВС-процессе при поперечной фильтрации, газа в системах с плавящимся металлическим реагентом, которая включает совместно протекающие внутренний и внешний массоперенос и гетерофазную реакцию. Получен критерий, характеризующий движение, фронта фильтрации газа и определяющий условия реализации различных макрокинетичвских механизмов фазо- и структурообразования конечного продукта.
Впервые исследованы процессы тешюпереноса при интенсивном охлавдеіши СВС-образца и предсказана возможность фиксации высокотемпературной структуры и фазового соствва вещества в волне СВС. Показано влияние различных режимов реализации многостадийного превращения в волне СВС на состав закаленного продукта.
Впервые проведено сопоставление детерминированного и стохастического подходов к описанию явлений тешюпереноса и.структурных превращений при СВС. Показано, что стохастическая модель описывает выход процесса на устойчивый режим в данной области параметров при любых начальных условиях, и предсказывает поведение системы в области потери устойчивости плоского фронта волны СВС,
На защиту выносятся:
1. Математическая модель тепловых явлений, кинетики формирования и
роста интер.ївталлидов при диффузионном переносе в твердых телах,
сопровождающимся фазовыми превращениями и зашдышеобразованием.
2. Выявленные закономерности теплообмена, газофазного переноса,
сопровоздакдегося гетерогенными реакциями, и влшпшг смены меха
низма переноса на фазо- и структуроооразованив при спекании
порошковых композиций и СВС в системах металл - твердый неметалл.
3. Математическая модель распространения волны CBG при поперечної
фильтрации газа, учитывающая конвективный тепло- и массоперенос,
гетерогенную реакцию и диффузию в слое тугоплавкого продукта.
-
Установленные закономерности тепловых явлений и диаграмма структурообразования при СВС в системах "плавящийся металл - газ".
-
Результаты теоретического исследования тешюпереноса при закалке высокотемпературного состояния вещества в волне СВС при протекании одно- и двухстадийных реакций.
6. Результаты сравнительного анализа и установленные характерные
особенности детерминированного и стохастического подходов к
исследованию тепловых явлений в волне СВС в безгазовых средах. .
Научная и практическая ценность работы. Результаты теоретических исследований создают методологическую основу оценки влияния совместно протекающих явлений тепломзссопереноса, гетерофазных реакций и. микроструктурных превращений на закономерности формирования структуры материалов и защитных покрытий на основе-ТС. Они могут быть использованы для оптимизации параметров технологического процесса, разработки методов целенаправленного воздействия на состав и структуру конечного продукта, при создании материалов и покрытий с требуемым комплексом свойств.
Ряд результатов реализован на практике. В частности, закономерности влияния газофазного и жидкофазного переноса на кинетику структурообразования при спекании гетерофазных порошковых композиций легли в основу нового способа получения антифрикционных материалов; анализ газотранспортних процессов в порошковых средах при ХТО позволил оптимизировать ряд режимов ХТО и составов насыщающих сред; закономерности фильтрационного переноса при СВС в системах "плавящийся металл - газ" использованы при разработке способа получения пористых проницаемых материалов с регламентированными свойствами. На их основе получено 10 авторских свидетельств.
Результаты диссертации используются в научных исследованиях ЛНК "ИТМО им.А.В.Лыкова" АН Беларуси, БР НПО порошковой металлургии, а также в учебном процессе Белорусской государственной политехнической академии, издана 2 методических и 1 учебное пособие, разработана и внедрена диалоговая обучающая система "СПЛАВ".
Совокупность исследований и полученных результатов создает основу нового научного направления в теплофизике внсокотемперя-
турных процессов, которое можно определить как теория совместно протекающих тепломассопереноса, гетерофазных реакций и структуро-образования при получении тугоплавких соединений, материалов ц защитных покрытий на их основе.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные результаты докладывались на следующих конференциях: Всесоюзная конференция "Исследование и разработка теоретических проблем в области порошковой металлургии и защитных покрытий" (Минск, 1983); I Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984); Всесоюзное совещание "Высокотемпературные физико-химические процессы на границе раздела твердое тело - газ" (Звенигород, 1984); Всесоюзная конференция по диффузии в металлах (Тула, 1986); 13 Всесоюзное совещание по жаростойким покрытиям (Ленинград, 1987); Уральская региональная конференция "Применение порошковых, композиционных материалов и покрытий в машиностроении" (Пермь, 1987); V школа-семинар по горению дисперсных систем (Одесса, 1989); Pall meeting ot ASM (Детройт, СІЛА, 1990); Международная школа-семинар "Реофизика и теплофизика неравновесных систем" (Минск, 1991); I Международный симпозиум по СВС (Алма-Ата, 1991); Симпозиум "Intermetalllc compounds - structures and mechanical properties" (Сендаи, Япония, 1991); Международная конференция GAMM-92 (Лейпциг, ФРГ, 1992); 2d European Slmposlum on Computer Applications In Process Engineering (Тулуза, Франция, 1992); 24-й Международный симпозиум по горению (Сидней, Австралия, 1992) и др. Результаты диссертации также докладывались и обсужда-лись на конференциях профессорско-преподавательского состава БГПА и конференциях молодых ученых ИТМО им.А.В.Лшсова АН Беларуси.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 55 статьях; по материалам исследований получено 10 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура диссер-ации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и библиографии (192 наименования). Она содержит 196 страниц, в том числе 44 рисунка.