Викладено досягнення проблемної науково-дослідної лабораторії СВС-матеріалознавства, створеної в 1992 році на базі Алтайського державного технічного університету ім. І. І. Ползунова.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Євстигнєєв В. В.


Altay Centre of Science «THERMOSYNTHESIS» on High-Temperature Synthesis of New Materials. Condition and Prospects

The opportunity of application of the image input system to PC on the basis of PZS with electronic shutter and exposition time 35,5 mks in structure of complex of optical control of particle spraying detonation stream characteristics on installation "Katun-M" is shown. Results of inspection of particle speeds along the length of their tracks on image, dynamics of gas fuse formation during the initial moment of stream occurrence on section of installation shaft and root angle of the stream are resulted.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Алтайський науковий центр «ТЕРМОСІНТЕЗ» по високотемпературному синтезу нових матеріалів. Стан і перспективи '

    Текст наукової роботи на тему «Алтайський науковий центр« ТЕРМОСІНТЕЗ »по високотемпературному синтезу нових матеріалів. Стан і перспективи »

    ?Известия Томського політехнічного університету. 2007. Т. 311. N2 2

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Рахштадт А.Г. Пружинні стали і сплави. - М .: Металургія, 1971.-496 з.

    2. Солонін М.І., Кондратьєв В.П., Вотінов С.Н. Сплав ХНМ-1 як перспективний матеріал для елементів конструкції ядерних і термоядерних реакторів з водним теплоносієм // ВАНТ. Сер. Матеріалознавство і нові матеріали. - 1995. -Вип. 1 (52). - С. 13-20.

    3. Скаков М.К., Мукажанов Є.Б., Ахметжанов Б.К. Фазово-структурні зміни в дисперсно-твердіє сплаві 47ХНМ після гарту // Известия Національної Академії наук РК. Серія хімічна. Алмати. - 2006. - № 2 (356). -З. 75-78.

    Надійшла 14.11.2006 р.

    УДК 536.46

    Алтайського НАУКОВИЙ ЦЕНТР «ТЕРМОСІНТЕЗ» ПО високотемпературного синтезу, НОВИХ МАТЕРІАЛІВ. СТАН І ПЕРСПЕКТИВИ

    В.В. Євстигнєєв

    Алтайський державний технічний університет ім. І.І. Ползунова, м Барнаул

    Викладено досягнення проблемної науково-дослідної лабораторії СВС матеріалознавства, створеної в 1992 році на базі Алтайського державного технічного університету ім. І. І. Ползунова.

    Відкриття в 1967 р А.Г. Мержанова високотемпературного синтезу (СВС) дало новий імпульс до пошуку і розуміння фізико-хімічних механізмів горіння в різних агрегатних станах речовини: в першу чергу - горіння у твердій фазі. Метод СВС забезпечив можливість отримання матеріалів з незвичайними властивостями через специфічні умови синтезу: істотної термодинамічної нерівноважності і високих температурних градієнтів. Алтайський державний технічний університет є одним з п'яти наукових центрів Російської Федерації, займаються дослідженням процесів СВС. У 1992 р за нашою ініціативою і завданням Міністерства освіти була створена проблемна науково-дослідник-ська лабораторія СВС-матеріалознавства [1-6].

    Визначено напрямки досліджень: отримання нових матеріалів методом СВС і напилення захисних покриттів. Таким чином було покладено початок проведення наукових досліджень. У 2003 р утворено 5-е регіональне Алтайское відділення Наукової Ради з горіння і вибуху РАН в області досліджень процесів СВС «ТЕРМОСІНТЕЗ» нетрадиційної порошкової металургії, розробки новітніх технологій отримання композиційних матеріалів, суперсплавів і виробів на їх основі, детонаційного нанесення покриттів, а також розробки вимірювальних систем і діагностичної апаратури на основі інтегральних фотодіодних структур і мікропроцесорних контролерів.

    До складу наукового колективу, який налічує близько 30 співробітників, входять 3 доктора і 12 канди-

    датов наук, наукові співробітники, інженери, аспіранти та студенти. За час існування лабораторії підготовлено і захищено 5 докторських і 17 кандидатських дисертацій. Проводяться роботи з основних розділів:

    • теоретичні дослідження процесів твердофазного горіння з метою створення принципів керованого режиму синтезу, дослідження динаміки розвитку осередків горіння в процесі СВС, оцінки параметрів енергії активації, теплопровідності, дослідження формування пористої структури в реакційній порошкової системі з добавками інертного матеріалу, дослідження нестійкості хвилі горіння, визначення впливу плазми на СВС-про-процеси, твердофазні перетворення в тонких плівках, високоенергетичні впливу концентрованими потоками енергії на реакційне середовище і т. п .;

    • Розробка та адаптація нових технологій СВС, промислове освоєння і впровадження технологій, наприклад, у виробництві фільтруючих елементів і захисних покриттів. Колективом вчених висунута і розвивається концепція інтегральних СВС-технологій. Суть її в тому, що весь цикл розробки проводиться стосовно до загального прототипу (базовому зразку), а «спеціалізація» матеріалів до конкретних умов експлуатації здійснюється на заключному етапі шляхом модифікування властивостей. При необхідності розширення номенклатури зразків або змін вимог до матеріалу знову здійснюється лише модифікація базового зразка. істотне

    Ліднєв з'єднань. Відомо, що Інтерметал-Ліднєв з'єднання характеризуються набором фізико-хімічних властивостей, до яких слід віднести високу термостійкість, жароміцність, стійкість до зношування і корозії при високих температурах, стійкість до впливу агресивних середовищ і т. П. Нами проводився синтез в системах №-А1 , Т1-А1, продуктом якого є интерме-талліди різної стехіометрії і досліджено вплив складу шихти, дисперсності порошків, температури підігріву на фізико-хімічні властивості отриманих матеріалів. Використовуючи концепцію інтегральних технологій, проведено легування бінарних систем №-А1, Т1-А1, які є базовими зразками, елементами IV підгрупи (Бе, Сг, Т1, N1), а також неметалами 81, В, С. Фактором, що визначає властивості, є існування високотемпературних евтектики одного з компонентів базової системи з легуючим елементом. Розроблено сімейства порошкових матеріалів інтерметаллідним класу для напилення, що забезпечують високий рівень експлуатаційних характеристик покриття. У розвиток концепції інтегральних технологій створена технологія детонаційному-газового напилення (ДГН) композиційних СВС-порошків, наприклад, боридів титану і алюминидов титану. Технологія ДГН, що характеризується високою швидкістю дисперсного потоку (до 2000 м / с) і температурою (до 3000 К), дозволяє забезпечити високий рівень адгезії і отримати майже компактний матеріал покриття пористістю близько 0,5 ... 6%.

    Для вивчення технологій напилення нових матеріалів в АлтГТУ створений експериментальний стенд дослідження імпульсних газодисперсного

    Мал. 2. Теплові структури у фронті хвилі горіння

    розвиток отримали методи оптичної мікро-пірометрії дисперсних середовищ. Розроблено оригінальний експериментальний комплекс для дослідження тонкої теплової структури хвилі горіння (рис. 1).

    Мал. I Експериментальний комплекс мікропірометріческіх і оптичних приладів для досліджень процесів формування теплових структур в хвилі СВС

    Створена комплексна методика для дослідження фізичних процесів структурно-фазових перетворень в СВС-матеріалах. Суть її в зіставленні термограмм високого тимчасового і просторового дозволу з діаграмами фазових станів, а також у визначенні характерних масштабів у теплової структурі хвилі горіння СВС (рис. 2).

    Серед матеріалів, технологічні основи синтезу яких найбільш розроблені, особливе місце займають порошки тугоплавких Інтерметал-

    Т ЕПЛ ОВІЗІ Про НН Про Е ЗОБРАЖЕННЯ

    термограмме

    час термоіндукціі

    Т'С

    I хГкП _

    теплова полушіріна

    * 7ПТ \ -

    1100 -

    АДИ АБ АТ ІЧЕКАЯ

    ІІІ

    час тепловиділення |

    ТЕМПЕРАТУРА ГОРІННЯ

    ПВП _

    ХАРАКТЕРНА ЧАС теплоотводу

    1 "5? Е 1кй

    14ХЮ 19ШЕ 1ІШ: ТГП

    Известия Томського політехнічного університету. 2007. Т 311. № 2

    потоків на основі багатоканального аналізатора теплового спектру частинок конденсованої фази і оптоелектронного часопролітної вимірювача швидкості дисперсного потоку (рис. 3).

    Рис.3. Експериментальний стенд дослідження імпульсних газодисперсного потоків

    На поверхні основи при напиленні відбуваються процеси, що супроводжуються утворенням нових фаз, причому в реакції беруть участь елементи зв'язки. В результаті екзотермічних процесів відбувається поліпшення якості зчеплення покриття з основою. Таким чином, високі температури і тиску, що розвиваються в процесі ДГН, можуть стимулювати процеси вторинного структуро-освіти, або процеси утворення нових фаз при напиленні багатокомпонентних систем. Індикація температури дисперсного струменя і поверхні основи дає можливість управління процесами структуро -фазообразо вання, значно скоротить енерговитрати і витрата матеріалів на безсистемний пошук оптимальних режимів ДГН, відкриває широкі можливості прогнозування результатів процесу напилення, що проводяться в тих чи інших умовах. В процесі детонаційному-газового напилення питання про динаміку розігріву поверхні контакту основи з напилюваним шаром є вельми важливим, оскільки температура контакту багато в чому визначає адгезійні властивості покриття. У лабораторії СВС-матеріалознавства сконструйований спеціальний мікротермопарний датчик, рис. 4, для контролю температури поверхні з зовнішнього боку, температури внутрішньої поверхні основи, і температури газодисперсного потоку.

    Використання контактного мікротермопар-ного датчика дозволяє вирішити проблему діагностики дисперсного потоку і контролювати температуру контакту шару покриття і основи, чого не можна здійснити з використанням методів оптичної пірометрії.

    Мал. 4. Датчик для контролю температури поверхонь основи напилення і температури потоку

    Останнім часом зріс інтерес до методу електроіскрового легування стосовно зміцнення робочих органів грунтообробних машин. В даний час в якості електродів використовуються сплави ВК. Альтернативою їм є матеріали на основі дибориду титану, отримані методом СВС. Синтез проводився в суміші І + ЗВ + № під тиском 10 МПа, ініціювання проводили прямим пропусканням електричного струму. В результаті обробки робочої кромки лемеша ґрунтообробних машин методом електроіскрового легування із застосуванням отриманого СВС-матеріалу на основі Т1В2 отримано покриття з мікротвердістю до 17 ГПа. Сплави на основі алюминидов титану широко застосовуються в літакобудуванні для виробництва газотурбінних двигунів і деталей через їх малу питому вагу, високої міцності до розриву, тиску, дії агресивних середовищ при високих температурах. У АлтГТУ проводяться дослідження фазообразования при синтезі алюминидов титану в режимі теплового вибуху, що має велике технологічне значення, т. К. Дає можливість управління реакцією синтезу. Створено реактор для проведення СВС з тиристорним блоком управління нагріву і системою примусового охолодження шихти, а також установка температурної діагностики СВС в режимі теплового вибуху.

    Для вивчення динаміки розігріву реагує суміші в режимі теплового вибуху сконструйований СВС-реактор, рис. 5.

    Мал. 5. Блок-схема установки СВС в режимі теплового вибуху: 1) нагрівальний елемент, 2) реагує суміш, 3) термопара для контролю динаміки розігріву суміші, 4) термопара для контролю температури стінки, 5) компенсуючі термопари, 6) сталевий реактор, 7 ) теплоізоляційний азбестовий шар, 8) вимикач, 9) джерело напруги, 10) плата збору і обробки даних Л А 1.5 РС1, 11) монітор

    Протягом останніх десяти років колективом проводяться дослідження пористих проникних матеріалів, отриманих методом СВС. За результатами досліджень освоєно виробництво фільтрів з алюминидов нікелю для систем водоочистки енергетичних установок, керамічних фільтрів на основі оксидів алюмінію і заліза, які використовуються для очищення повітряно-газових сумішей, емульсій та розчинів. Пошаровий характер реакції СВС обумовлює спрямований характер освіти пористого каркаса одержуваних матеріалів, що дозволяє виготовити проникні матеріали з малим гідравлічним опором при збереженні високих фільтруючих властивостей. Наявність «пристінкового ефекту» дозволяє реалізувати для СВС-фільтрів режим поверхневої фільтрації і саморегенерації при очищенні газо-пилових середовищ з високим ступенем запиленості. Ефективність очищення емульсії і води - не менше 95%, повітряно-газових сумішей і сажі - не менше 95 ... 98%. Коефіцієнт утримання сполук міді, хрому і нікелю в гальванічних і травильних розчинах - не менше 95%. Продуктивність фільтрів варіюється в широких межах від

    1 до 1000 л / год. Термін служби - не менше 1 року. Профілактика здійснюється простий промиванням водою або на ультразвукової установки.

    Одними з перспективних напрямків в роботі з пористими проникними матеріалами є переробка відходів металургійного виробництва з відновленням металів з оксидів з чистотою до 95% і синтез нізкоекзотерміческіх складів під впливом електричного струму. Переваги СВС перед традиційними металургійними методами отримання матеріалів проявляються тоді, коли процеси перенесення надлишку тепла в реакційній середовищі перевищують масштаби дифузії. При цьому виявляються найбільш цікаві властивості матеріалів, т. К. Через високі градієнтів концентрації і температури створюються умови для виникнення кількох фаз на кордоні вихідних матеріапов.

    Говорячи про унікальний набір фізико-химиче-ських властивостей матеріалів, отриманих методом СВС, слід сказати і про унікальну технологічної відтворюваності і стабільності цих властивостей, яка є, по-видимому, наслідком автотормозящего характеру «явища хвильової локалізації твердофазних реакцій». Т. е. При однакових вихідних умовах реакція СВС повинна сама автоматично виходити на один і той же режим горіння. Очікується, що при вдосконаленні СВС будуть досягнуті масштаби гетерогенності не тільки мікро- і мезоструктур, але і на-ноуровня, коли зростання питомої поверхні розділу фаз призведе до появи нових можливостей і властивостей. Такі властивості матеріалів можуть забезпечити на рівні наноструктур, наприклад, ефекти високотемпературної надпровідності або «структурної» пам'яті.

    В цілому для проведення індустріалізації СВС необхідна державна програма підтримки розвитку цього напрямку.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. YevstigneevV.V., Volpe В.М., MilyukovaШ, Saigutin G.V. Integral technologies ol sell-spread high-temperature synthesis, - M .: Vysshaya shkola. 1996. - 274 p.

    2. Evstigneyev V.V., Gulyayev P.Yu., Mukhachev A.B., Garkol D.A. A new procedure ol high-rate brightness pyrometry for studying the SHS processes // Combustion, Explosion and ShockWaves. - 1994. - V. 30. - JSfel. - P. 72-78.

    3. Yevstigneev V.V., Volpe B.M., Milyukova I.V., Mukhachyov A.B .. Garkol DA. Two possible mechanisms ol product formation in SHS ^ systems with intermetallides on the phase diagrams // The Int. Journal olSHS. - 1994. -Jfc2. - P. 123-130.

    4. Sell-spread high temperature synthesis. Materials and technologies. The collection ol scientific papers edited by V.V.Yevstigneev. - Novosibirsk: Nauka, 2001. - 264 p.

    5. Evstigneyev V.V., Gulyayev P.Yu., Philimonov V.Yu. The temperature conductivity ol the reacting mediums // Advances in Condensed Matter & Materials Research. - 2002. - V. 2. - P. 235-241.

    6. EvstigneevV.V., Pilimonov V.Yu., Krasnoshekov S.V. Determination olthe structure of the kinetic function in self-heating of the Ti-Al binary powder mixture with equiatomic composition // Journal of Advanced Materials. - 2003. - V. 10 (1). - P. 94-99.

    Надійшла 14.11.2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити