Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений в режиме динамического теплового взрыва

Диссертация: Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений в режиме динамического теплового взрыва
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на шести научных конференциях: Международная конференция. (Минск, 1997.) — IV Международный симпозиум по Самораспространяющемуся Высокотемпературному Синтезу, (Толедо, Испания, 1997) — XVI, XVII и XVIII Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике, (Клязьма, 1998, 1999 и 2000г) — V Международный симпозиум… Читать ещё >

Содержание

  • Глава I. Литературный обзор
    • 1. 1. Основные свойства интерметаллических соединений
    • 1. 2. Теория СВС — процесса
    • I. 3 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминидов
      • 1. 3. 1. Образование и свойства алюминидов меди
    • I.
      • 3. 2. Образование и свойства алюминидов никеля
    • I.
      • 3. 2. Образование и свойства алюминидов титана
    • I.
      • 3. 2. Образование и свойства алюминидов ниобия
  • Глава II. Методика эксперимента
    • II. 1 Термометрический метод
      • 11. 2. Метод динамического рентгенофазового анализа
      • 11. 3. Метод дифференциально термического анализа
      • 11. 4. Метод электронно микроскопического анализа
      • 11. 5. Метод рентгенофазового анализа
  • Глава III. Феноменология теплового взрыва
  • Система Cu+Al
  • Система Ni-Al
  • Система Ti+Al
  • Система Nb+Al
  • Глава IV. Экспериментальные результаты температурной динамики
  • Система Си-А
  • Система Ni-Al
  • Система Ti+Al
  • Система Nb+Al
  • Глава V. Динамика превращения фаз в процессе теплового взрыва
  • Система Си-А
  • Система Ni-Al
  • Система Ti+Al
  • Система Nb+Al
  • Глава VI. Выявление основных макрокинетических стадий образования интерметаллидов в режиме теплового взрыва
  • Система Си-А
  • Система Ni-Al
  • Система Ti+Al
  • Выводы

Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений в режиме динамического теплового взрыва (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Интерметаллические соединения имеют важное техническое значение. Как легирующие добавки они придают особые свойства многим промышленным сплавам, интерметаллиды входят в состав высокопрочных конструкционных материалов, например, обеспечивают высокую прочность в дисперсионно-твердеющих сплавах на основе А1, Си, Бе, высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе никеля (№ 3А1). На основе интерметаллидов созданы защитные покрытия из тугоплавких металлов (№ 3А1, № 3М), Тл3А1 и др.).

Среди них встречаются соединения с низкими температурами образования и температурами плавления, превышающими 2273К, полупроводники и сверхпроводники, соединения, с высокой магнитной силой (ТеР1:), как материалы для лазера (СаАз) и с уникальным свойством «эффекта памяти».

Фазовое превращение Тл№ (кубическая <-" ромбическая фаза) обусловливает специфическое свойство этого материала — «память формы», данный материал используют для изготовления термочувствительных элементов.

В настоящее время растет использование этих соединений для практических нужд. Так, например, известно широкое применение алюминидов циркония, титана, никеля в электротехнике, радиоэлектронике, полупроводниковой промышленности, атомной энергетике.

Однако существующие в настоящее время методы получения интерметаллидов являются далекими от совершенства. Они характеризуются значительными затратами, сложностью, многостадийностью технологических циклов, малой производительностью и не всегда обеспечивают требуемое качество материалов по чистоте. Все это требует создания и разработки прогрессивных методов и технологий их получения. Большими возможностями в этом плане обладают методы высокотемпературного синтеза в режиме послойного горения и теплового взрыва (метод СВС). Эти методы, основанные на использовании внутренней химической энергии исходных реагентов, являются примером выгодной организации процесса синтеза с тепловой точки зрения.

Процесс СВС был открыт в 1967 г. Мержановым, Боровинской, Шкиро [1], при изучении экспериментальных моделей горения конденсированных систем. В ходе горения все вещества — исходные, конечные, а иногда и промежуточные — находились в твердом состоянии даже при высоких температурах. В дальнейшем это явление получило название «твердое пламя». Большой научный интерес к этому явлению был вызван не только необычными процессами горения, но и его продуктами. В зависимости от подбора реагентов они представляли собой тугоплавкие соединения — бориды, карбиды, силициды, интерметаллиды и другие вещества. Новый метод получения тугоплавких соединений был назван «самораспространяющийся высокотемпературный синтез» (СВС). Специфические черты СВС очевидны и привлекательны: отсутствие энергозатрат для достижения высоких температур, большие скорости синтеза, простота специального оборудования. В последнее время синтез интерметаллидов все чаще проводят в режиме теплового взрыва, когда спрессованный исходный образец нагревается в печи до температуры самовоспламенения. К настоящему времени хорошо изучены диаграммы состояния, строение и свойства интерметаллидов. Вместе с тем кинетика и механизм образования интерметаллидов изучены недостаточно, особенно на стадии химической реакции, поскольку короткое время завершения взаимодействия, высокие температура и скорость нагрева вещества затрудняют исследования.

Цель работы. Целью настоящей работы является определение макрокинетического механизма синтеза интерметаллидов в режиме теплового взрыва. И включает в себя следующие задачи:

— определение основных макрокинетических стадий, измерение скорости тепловыделения и кинетических параметров для каждой стадии;

— экспериментальное выявление физико-химических процессов, которые предшествуют тепловому взрыву, инициируют его, а также происходят на послевзрывных стадиях при формировании конечного продукта.

Научная новизна. Впервые экспериментально получена детальная макрокинетическая картина неизотермического синтеза (в режиме теплового взрыва) в интерметаллидных системах, включающая в себя феноменологические наблюдения, динамику тепловыделения, фазовых и структурных превращений, эволюцию микроструктуры, определение кинетических параметров основных стадий. Получены новые результаты по составам: Cu+Al, 2Cu+Al, 3Cu+Al, 3Ni+Al, Ti+Al, 3Ti+Al, Nb+3A1, Nb+Al, 2Nb+Al.

Реализованы однородные условия нагрева (по H.H. Семенову). Разработана комплексная методика, позволяющая сопоставлять данные взаимно дополняющих физико-химических методов: метода динамической рентгенографии (ДРФА), который был впервые применен для исследования теплового взрываметода термометрии, при котором значения термопар, впрессованных сверху и снизу образца, выводились через усилители в компьютер. Во время нагрева и остывания значения температуры записывалось раз в секунду, а в момент экзотермической реакции частота измерения температуры достигала 1 ООО раз в секунду.

Достоверность результатов работы обеспечивается комплексным применением независимых экспериментальных и аналитических методов, которые взаимно дополняют и контролируют друг друга. Области применимости впервые созданных экспериментальных методик определялись с помощью калибровочных экспериментов, сравнения результатов с данными известных хорошо аттестованных методов, теоретического анализа и оценок погрешностей.

Как исходные, так и конечные образцы изучались методами растровой электронной микроскопии и электроннозондового микроанализа с помощью микроанализатора 1СХА-733 (ШОЬ) с целью определить их микроструктуру и химический состав структурных составляющих. Рентгеноструктурный анализ конечных образцов проводился на дифрактометре ДРОН-3. Дифференциально термический анализ образцов проводился на приборе ТАО-24 фирмы 8е1агат (Франция).

Практическая ценность. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации процессов синтеза интерметаллидов методом СВС в режиме теплового взрыва.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на шести научных конференциях: Международная конференция. (Минск, 1997.) — IV Международный симпозиум по Самораспространяющемуся Высокотемпературному Синтезу, (Толедо, Испания, 1997) — XVI, XVII и XVIII Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике, (Клязьма, 1998, 1999 и 2000г) — V Международный симпозиум по Самораспространяющемуся Высокотемпературному Синтезу, (Москва, Россия, 1999).

По материалам опубликовано 9 научных работ.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и перечня цитируемой литературы. В первой главе содержится краткий литературный обзор наиболее важных работ о теории теплового.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана компьютеризированная комплексная методика для исследования динамического теплового взрыва в смесях металлических порошков, включающая в себя:

— устройство для контролируемого нагрева образцов лучистым потоком в вакууме или инертном газе;

— термопарное измерение температуры с адаптирующейся частотой регистрации от 1 до 100 Гц (В зависимости от темпа изменения температуры) и прямой записью в память компьютера;

— динамический рентгенофазовый анализ на стадиях нагрева, экзотермической реакции и остывания;

— макро-видеозапись процесса;

— стандартные физические методы исследования — ДТА, РЭМ, ЛРСА, РФА.

2. Исследованы зависимости температурно-временного развития процессов высокотемпературного синтеза от размеров, плотности и состава образцов, скорости нагрева. Экспериментально определены условия реализации различных режимов: от локального зажигания с последующим распределением волны горения, до кавзигомогенной в тепловом отношении реакции. (Последний режим максимально приближен к классической модели H.H. Семенова).

3. Проведено экспериментальное исследование динамики тепловыделения, эволюции микроструктуры и фазового состава при безгазовом тепловом взрыве смесей металлических порошков в условиях пренебрежимо малых перепадов температуры в объеме образца (Bi<0.003). Реализация температурно-однородного режима создала принципиальную возможность определения на основе анализа температурно-временных зависимостей, макрокинетических стадий (процесса), роли структурных и фазовых переходов, (образование эвтектического расплава, плавление, разрушение оксидных слоев) в инициировании экзотермических реакций.

4. Получены новые экспериментальные данные о динамике химических, микроструктурных и фазовых превращений при синтезе интерметаллидов методом СВС в режиме теплового взрыва для широкого спектра интерметаллических соединений в системах Cu-AlNi-AlTi-AlNb-Al. В частности, показано, что:

— образование интерметаллических соединений в системах Ni-Al и Ti-Al происходит за 1−2 секунды во время основного тепловыделения, причем независимо от стехиометрии смесей первой появляется фаза эквимолярного состава;

— для системы М>А1 на стадии нагрева после плавления алюминия, но до основной экзотермической реакции наблюдается образование фазы №>А13, а во время теплового взрыва появляется фаза №>2А1;

— для состава ЗСи+А1 во время экзотермической реакции образуется фаза Си3А1, которая при остывании распадается на фазы Си9А14, и раствор а-меди.

5. Установлено, что в системах №-А1, Си-А1 развитие теплового взрыва происходит в 3 стадии:

— ускорение реакции при образовании эвтектического расплава (Еа"3 3 Ок Дж/моль);

— постоянная скорость реакции при растворении тугоплавких частиц в расплаве на основе А1 с кристаллизацией твердого продукта (основная стадия, Еа"0.3кДж/моль);

— торможение реакции твердыми продуктами (догорание, скорость реакции уменьшается, несмотря на рост температуры).

6. Установлено, что для систем ТьА1 и М>А1 температура начала теплового взрыва зависит от размера частиц. Образование интерметалидов в этих системах происходит по двум механизмам:

— растворение жидкой фазы в твердой с образованием слоя продукта. Для системы М>А1 по данному механизму образуется фаза №>2А1, в системе ТьА1 по данному механизму происходит начало экзотермической реакции, а образование интерметаллической фазы приводит к повышению температуры и к смене механизма реакции.

— растворение твердых частиц в расплаве с кристаллизацией продукта в расплаве (образование фазы TiAl для системы Ti-Al и фазы NbAl3 в системе Nb-Al).

Показать весь текст

Список литературы

  1. А. Г. Шкиро В.М., Боровинская И. П. //Способ синтеза тугоплавких неогранических соединений. Авт. Свид. СССР, 1967, № 255 221. «Бюлл. Изобр.», 1971, № Ю. Патент Франции, № 2 088 668, 1972. Патент США, № 3 726 642, 1973. Патент Англии, № 1 321 084, 1974.
  2. R.A. Cutler, A.V. Virkar, and J.B. Holt // Ceram. Eng. Sei. Proc., 1985, v. 6, p.715.
  3. И.П. // Металлиды и взаимодействие между ними. Изд. Наука, 1964.
  4. Вестбрук Дж// Интерметаллические соединения. Под ред. .Корнилова И. И. Изд. Металлугргия, 1970.
  5. Е.С. // Строение твердых фаз с переменным числом в элементарной ячейке. Изд. АН СССР, 1947
  6. B.C., Подергин В. А., Речкин В. Н. //Алюминиды. Киев: Наукова думка, 1965. С. 241.
  7. Ю.С., Итин В. И., Савицкий К. В. Экзотермические эффекты при спекании смеси порошков никеля и алюминия. //Изв. Вузов. Физика. 1968, № 10. С.27−35, 103−108.
  8. Ю.С., Итин В. И., Мержанов А. Г. и др. Безгазовое горение смеси металлов и самораспространяющийся высокотемпературный синтез интерметаллидов.//Изв. Вузов. Физика. 1973. № 6. С. 145−146.
  9. H.H. //Журн. Рус. Физ-хим. об-ва. 1928. Т60. С. 241. 10 Тодес О.М.// ЖФХ. 1939. Т. 13. вып. 7. С. 868.
  10. А.П., Сеплярский Б. С., Тепловая теория воспламенения и горения.// Куйбышев 1990.
  11. Я.Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. // Изд. «Наука» 1980.
  12. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике 3-е изд. М.: Наука, 1987.
  13. А.Г., Григорьев Ю.М.// Физика горения и взрыва. 1967.т.3.№ 3. С. 371.
  14. Gray P., Harper M.J.// Trans. Far. Soc. 1959. V.55.№ 4. P.43.
  15. Kinbara T., Akita К.// Combust, and Flame. 1960. V.4.№ 2. P. 173.
  16. Squire W.// Combust, and Flame. 1963. V.7. № 1. P.l.
  17. Франк-Каменецкий Д.А. // ЖФХ. 1939. T. 13. Вып. 6. С. 738.
  18. Я.Б. // ЖФХ. 1941. Т.11. Вып. 6. С. 493.
  19. А.Г., Барзыкин В. В., Абрамов В. Г. Теория теплового взрыва: от Семенова до наших дней.// Химическая физика. 1996. Т. 15. № 6. С. 3−45.
  20. Ю.М., Мержанов А. Г., Прибыткова К.М.//ЖПМТФ. 1966. № 5. С. 17.
  21. A.G., Barzykin V.V., Sheinberg A.S., Gontkovskaya V.T. // Thermochimica Acta. 1977. V.21. P. 301.
  22. B.B. Термический анализ реагирующих веществ. //ФГВ.1973. Т. 9. № 1. С. 37.
  23. А.Г., Озерковская Н. И., Шкадинский К. Г. О протекании теплового взрыва в послеиндукционный период.// ДАН. 1998.Т.362,№ 1,с.60−64.
  24. В.А., Мержанов А. Г., Штейнберг А. С. //ДАН. 1988.Т.301.№ 4.С.899.
  25. В.Т. // ФГВ. 1979. Т. 15. № 3. С. 59.
  26. В.Е., Е.Н. Боянгин. Влияние содержания алюминия на термограмму синтеза интерметаллида Ni3Al в режиме теплового взрыва.// ФГВ, 1998, т.34, № 6.
  27. Химия твердого состояния./Под Ред. В. Гарнера. М.: Химия, 1974 224с.
  28. Развитие представлений о механизме реакционной диффузии./ В. И. Архаров, Н. А. Баланаева, В. Н. Богословский, Н.М. Стафеева// Защитные покрытия на металлах. Киев: Наукова думка. 1971 № 6. С. 5−11.
  29. Механизм и кинетика образования и роста интерметаллических прослоек в сварных соединениях разнородных металлов.// JT.H. Лариков, А. В. Лозовская, Д. Ф. Полищук и др.// Металлофизика. Киев: Наукова думка, 1969.№ 28, С.5−49.
  30. В.З. Диффузия в металлах и сплавах. Л-М.: ГИТТЛ, 1949,212с.
  31. Janssen М.М.Р., Rieck G.D. Reaction Diffusion and Kirkendall Effect in the Nickel-Aluminum System.//Trans.Met.Soc. AIME. 1967. Vol. 239. P. 1372−1385.
  32. Van Loo F.J.J., Rieck G.D. Diffusion in the Titanium-Aluminium System. Interdiffusion between solid Al and Ti or Ti-Al Alloys.// Acta Metallurgica. 1973. Vol. 21, № 1, P.61−71.
  33. Савицкий А.П.// Жидкофазиое спекание систем с взаимодействующими компонентами. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 184 с.
  34. М. Хансен, Структуры бинарных сплавов. Металлургиздат, 1941, т. 1, 2.
  35. Г. В., Бездиффузионные (мартенситные) превращения в сплавах, Сб. «Проблемы материаловедения и физики материалов», 1949.
  36. В.И., Найбороденко Ю. С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1989.
  37. В.И., Братчиков А. Д., Постникова JI.H. Использование горения и теплового взрыва для синтеза интерметаллических соединений и лигатур на их основе.// Порошковая металлургия. 1980, № 5, с. 24−28.
  38. В.В. Александров, М. А. Корчагин, В. В. Болдырев. Механизм и макрокинетика взаимодействия компонентов в порошковых смесях.// Докл. АН СССР. 1987, т. 292, № 4, с. 879−881.
  39. В.Н. Еременко, Н. Д. Лесник, Т. С. Иванова. Кинетика растекания алюминия по никелю.// Порошковая металлургия. 1978, № 11, с.46−51.
  40. Синтез алюминидов некоторых переходных металлов./В.А. Подергин, В. А. Неронов, В. Д. Яровой, М. Д. Маланов. // Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка, 1975. С. 118−127.
  41. Ю.С. Найбороденко, В. И. Итин, А. Г. Мержанов и др. Безгазовое горение металлов и самораспространяющийся высокотемпературный синтез интерметаллидов. // Изв. Вузов. Физика. 1973. № 6,с. 145−146.
  42. Ю.С. Найбороденко, В. И. Итин. Исследование процесса безгазового горения смесей порошков разнородных металлов. II. Влияние состава смесей на фазовый состав продуктов и скорость горения.// Физ. гор. и взрыва. 1975. Т. 11, № 5, С.734−738.
  43. Ю.С. Найбороденко, В. И. Итин. Исследование процесса безгазового горения смесей порошков разнородных металлических порошков.// Горение и взрыв. Материалы IV Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, 23−27 сентября 1974 г. М.: Наука, 1977. С.201−206.
  44. В.В. Болдырев, В. В. Александров, М. А. Корчагин М.А. и др. Исследование динамики образования фаз при синтезе моноалюминида никеля в режиме горения.//Докл. АН СССР. 1981. Т. 259. № 5. С. 1127−1130.
  45. В.В. Александров, М. А. Корчагин, Б. П. Толочко, М. А. Шеромов. Исследование СВС-процессов методом рентгенофазового анализа с использованием синхротронного излучения.// ФГВ. 1983. Т. 19, № 4 С. 65−66.
  46. J. Wong, Е.М. Larson, J.B. Holt et al. ll Time-resolved X-ray diffraction study of solid combustion reactions. Science, vol. 249, pp. 1406−1409, 1990.
  47. М.А. Корчагин, B.B. Александров, B.A. Неронов. Фазовый состав промежуточных продуктов взаимодействия никеля с алюминием.// Изв. СО АН СССР. Сер. химич. наук, 1979. № 6, с. 104−111.
  48. А.Г. Гаспарян, А. С. Штейнберг, К механизму теплового взрыва алюминий содержащих смесях для СВС интерметаллидов.// Вторая Всесоюзная конференция по технологическому горению. Черноголовка, 1978. Тез. док.1. С.78−80.
  49. О. Kubaschewski, W.A. Dench //Acta Metallurgy 1955, v.3, № 4, p. 339.
  50. B.H. Еременко, Я. В. Натанзон, В. П. Титов, В. В. Нерубащенко, А. П. Крымов. Кинетика растворения титана в жидком алюминии.//Металлы. 1981, № 3, с. 2529.
  51. Исследование возможности получения алюминидов титана и циркония методом СВС. Ю. С. Найбороденко, Г. В. Лавренчук, П. Я. Кашпоров, J1.A. Малинин // II Всесоюзная конференция по технологическому горению: Тезисы докладов. Черноголовка, 1978. С. 141−142.
  52. G.-X. Wang, М. Dahms. TiAl-Based Alloys Prepared by Elemental Powder Metallurgy. //Powder Metallurgy, v.24, № 4, 1992, p.219−225.
  53. C.R. Kachelmyer, J.-P. Lebrat, A. Varma, P.J. McGinn. Combustion synthesis of intermetallic aluminides: processing and mechanistic studies.// Heat Transfer in Fire and Combustion Systems, v.250, 1993, p.271−276.
  54. H.E. Maupin, J.C. Rawers. Metal-intermetallic composites formed by reaction-sintering elemental powders.//Journal of Materials science letters. № 12, 1993, p.540−541.
  55. Harry A. Lipsitt. Titanium aluminides an overview.// Materials Research Society, v.39, 1985, p.351−363.
  56. L.F. Mondolfo. Metallography of Aluminum Alloys. John Willey and Sons, New York, 1943.
  57. Ю.Д. Чистяков, Г. В. Самсонов, M.B. Мальцев. Труды ВНИТО металлургов, 1954, № 2, с. 169.
  58. В.М. Глазов, Цветные металлы, 1953, № 3, с. 72.
  59. В.М. Маслов, И. П. Боровинская, М. Х. Зиатдинов. Горение систем ниобий-алюминий, ниобий-германий.// Физика горения и взрыва, 1979, № 1, с.49−57.
  60. G. Slama, A. Vignes. G. Less-Comm. Metals, 1972, v. 29, p. 189.
  61. К., Но C.T., Sekhar J.A., Combustion synthesis of niobium aluminide and its mechanical properties. // J. of Mater. Sci. Lett., 1992, 11, p.475−476.
  62. Kachelmyer C.R., Rogachev A.S., Varma A. Mechanistic and processing studies of niobium aluminides. // J. Materials Research Soc., 1995, 10, № 9, p.2260−2270.
  63. В.В., Груздев В. А., Коваленко Ю. А. Теплопроводность некоторых СВС-систем на основе алюминия.// Физика Горения и Взрыва, 1985, № 1, с. 98−104.
  64. А.Г., Боровинская И. П., Пономарев В. И., Хоменко И. О., Заневский Ю. В., Черненко С. П., Смыков Л. П., Черемухина Г. А. Динамическая рентгенография фазообразования в процессе СВС. // ДАН, 1993, т. 328, № 1,с.72−74.179
  65. Rupp В., Wong J., Holt В., Waide P. The solid combustion synthesis of small REBa2Cu3Ox samples (RE=Y, Er). // J. Of Alloys and Compounds, v. 209, pp. 25−33,1994.
  66. Krishnan S., Ansell S., Price D. X-ray diffraction from levitated liquid yttrium oxide.//J. Am. Ceram. Soc., v. 81, pp. 1967−1969, 1998.
  67. A.B. Теория теплопроводности. M.: Высш. шк., 1967.
  68. В.Д., Цветков В. В. О причинах миграции жидкой фазы в металлических порошковых материалах при их СВС- консолидации.// ФГВ, 1995, № 1, с.60−65.
  69. А.С., Щербаков В. А. Зондирование пористой структуры образца при безгазовом горении.// В кн: Проблемы структурной макрокинетики. Черноголовка, 1991, с. 75−107.
  70. Е.Б., Рогачев А. С., Бахтамов С. Г., Сачкова. Н. В. Макрокинетика теплового взрыва в системе ниобий-алюминий. Часть I. Основные макрокинетические стадии.// ФГВ. 2000, т.36, № 2, 40−44 .
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?