Введение к работе
Современный уровень развития машиностроения, характеризующийся качествен-ным повышением интенсивности эксплуатационных режимов машин и оборудования, предполагает ускорение темпов расширения производства композиционных материалов и изделий, в которых обеспечение оптимальных свойств достигается наличием в структуре фаз со взаимодополняющими комплексами физико-механических и иных параметров.
Производство композиционных материалов с оптимальными комплексами свойств связано с развитием технологических процессов нового уровня, основными чертами которых являются ограниченное количество основных операций, обеспечивающих полный переход исходных материалов в целевой продукт с их глубоким переделом, при котором происходят радикальные изменения структуры и свойств материала, нередко сопровождающиеся сменой его агрегатного состояния.
Процессом, обладающим значительным технологическим потенциалом, является открытый акад. А. Г. Мержановым и его научной школой самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), явившийся эффективной основой для получения продуктов различных классов, в том числе гетерофазных и композиционных материалов. СВ-сннтез характеризуется такой уникальной особенностью, как существование в течение протекания взаимодействия высокотемпературной твердо-жидкой среды, допускающей различные типы дополнительных внешних воздействий, посредством которых возможно регулирование структуры и свойств продуктов. Совокупность возможных направленных воздействии на реакционную среду и их комбинаций составляег множество вариантов реализации операции технологического горения и соответствующее множество технологических процессов, определяемое понятием интегральной технологии.
Развитие физических основ интегральных СВС-технологий требует комплексного решения ряда проблем, связанных с созданием семейств промышленных образцов продуктов на базе фундаментального исследования закономерностей и механизма взаимодействия в соответствующих реакционных системах, анализом свойств получаемых материалов, установлением путей их прогнозирования и управления ими. К семействам продуктов, получение которых СВ-синтезом целесообразно как с точки зрения их технического уровня, так и из экономических соображений, можно отнести, прежде всего, дисперсные материалы. Развитие интегральных технологий СВС требует, кроме того, проведения работ по созданию специализированного технологического оборудования, в наиболее полной степени отвечающего концепции универсальности (гибкости) как одного из основополагающих свойств интегральных технологий.
Актуальность указанной проблематики обусловлена, во-первых, своеобразием СВС как физико-химического процесса, определяющим уникальность структуры и свойств получаемых продуктов и требующим фундаментального анализа применимости традиционных физических методов управления структурой сплавов (прежде всего - легирования), во-вторых, значительным потенциалом, которым обладает СВС как технологический подход, обеспечивающий возможность получения целого ряда продуктов (материалов) в качественно новых рамках эффективности производств, и, наконец - уникальными комплексами эффективных свойств самой продукции.
Целью работы явилось создание физических основ интегральных технологий СВ-синтеза дисперсных материалов для нанесения термических защитных покрытий на основе легированных интерметаллических соединений никеля и титана.
Научная новизна
-
Впервые развита и обоснована концепция интегральных технологий СВ-синтсза.
-
Реализована комплексная методика исследования формирования продуктов в быстропротекающих процессах горения, сочетающая высокотемпературную яркостиую пирометрию фронта горения с совокупностью современных методов физического материаловедения.
-
Создан автоматический анализатор изображений, позволивший осуществить исследование различных металлографических объектов с расчетом количественных геометрико-морфологических параметров.
-
На основе экспериментальных исследований взаимодействия в волне горения, анализа структуры и фазового состава продуктов построены детальные качественные модели структурообразования сплавов интерметаллидного класса в реакционных системах Ni-Al и Ті-АІ в ходе протекания реакций СВ-синтеза.
4.1. Впервые установлено существование двух типов механизма взаимодействия, обусловленных видом образуемой компонентами реакционной системы диаграммы состояния, взаимной растворимостью компонентов в твердой и жидкой фазе, а также соотношением направлений кинетического (растекание) и химического (фазообразование) транспорта вещества в реакционной зоне.
5. Впервые развиты качественные модели формирования гетерофазных сплавов в
реакционных системах Ni-Al-лепірующий элемент и Ti-Al-легирующий элемент в
широком диапазоне легирования элементами, образующими с компонентами
базовых бинарных систем диаіраммьі состояния различного типа.
5.1. Построены качественные модели взаимодействия компонентов в легированных системах, установлены закономерности влияния легирующих элементов на структуру и фазовый состав продуктов синтеза.
6. Разработаны новые семейства дисперсных материалов на основе бинарных и
многокомпонентных сплавов никеля и титана интерметаллидного класса.
-
Получены газотермические защитные покрытия с использованием созданных дисперсных материалов. Установлены границы и закономерности наследственности структурь! и фазового состава покрытий по отношению к соответствующим параметрам наносимого дисперсного материала, являющиеся основой оптимизации свойств получаемых покрытий.
-
Определены эксплуатационные свойства защитных покрытий на основе разработанных дисперсных материалов.
7. Сформулированы общие принципы организации технологических машин для
осуществления операции СВ-синтеза, впервые дана классификация технологических
машин этого класса по соотношению транспортной и технологической скоростей
предмета обработки.
-
Осуществлена практическая реализация технологических линий СВ-сннтеза с использованием традиционного оборудования порошковой металлургии спекания.
-
Впервые обосновано использование роторных и роторно-конвейерных машин для осуществления промышленной операции технологического горения, предложены и реализованы на практике оригинальные конструктивные решения роторной и роторно-конвейерной поточных технологических линий СВ-синтеза, проведены
укрупненные расчеты основных технических показателей работы линий обоих типов. Защищаемые положения
-
Концепция интегральных технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
-
Методики и аппаратурное обеспечение высокоскоростной яркостной пирометрии волн горения и автоматического анализа металлографических объектов.
-
Качественные модели структурообразования продуктов в системах Ni-Al и ТІ-А1, а также указанных системах, расширенных введением легирующих элементов.
-
Существование двух типов механизма взаимодействия в СВС-систсмах с ннтер-металлидами на диаграмме состяния.
-
Эффекты влияния легирования бинарных реакционных систем на механизм взаимодействия в реакционной зоне, структуру и фазовый состав продуктов синтеза.
-
Создание семейств дисперсных материалов на основе алюминидов и гетеро-фазных сплавов интерметаллидного класса для термического нанесения защитных покрытий.
-
Результаты исследования свойств покрытий на основе разработанных дисперсных материалов, в том числе - кинетики и механизма высокотемпературного окисления.
-
Принципы использования роторных и роторно-конвейерных технологических машин для реализации операции СВ-синтеза; конструктивные решения роторов и результаты укрупненных расчетов эффективности использования роторных машин.
-
Схемы и промышленные образцы оборудования технологических линии производства дисперсных материалов на основе СВ-синтеза.
Практическая значимость
-
Проведен структурный и системный анализ операции СВ-синтеза как основы технологических процессов высокого уровня.
-
Разработана концепция интегр&тьных технологий СВ-синтеза как одни из путей внедрения данного процесса в реальное технологическое пространство.
-
Осуществлен СВ-синтез целевых продуктов в бинарных и тройных реакционных системах на основе никеля и титана, имеющих прикладное значение.
-
Созданы принципы направленного легирования реакционных систем на основе алюминидов никеля и титана, обеспечивающие оптимизацию структуры и свойств получаемых гетсрофазных сплавов.
-
Разработаны семейства промышленных образцов дисперсных материалов для термического нанесения защитных покрытий на основе алюминидов никеля и титана, а также гетерофазных сплавов интерметаллидного класса.
-
Определен уровень эксплуатационных свойств защитных покрытий на основе разработанных дисперсных материалов; показано соответствие указанных свойств современному уровню требований к эксплуатационным характеристиками защитных покрытий. Успешно проведены опытно-промышленные испытания дисперсных материалов и защитных покрытий на деталях машин различного назначения на их основе.
7. Разработаны технологии получения дисперсных материалов СВ-синтсзом с
последующей дезинтеграцией продукта.
8. Созданы технологические лини» производства дисперсных материалов на основе
операции СВ-синтеза, использующие в качестве основного как традиционное
оборудование порошковой металлургии спекания, так и роторные (роторно-коквейерные) технологические машины. Установлены области оптимальной применимости технологических линий различного типа. Проведен укрупненный анализ эффективности использования роторных машин для реализации операции СВ-синтеза.
-
Созданы тнпоразмерные ряды промышленных образцов оборудования для осуществления подготовительных и заключительных операций в структуре технологических линий СВ-синтеза дисперсных материалов. Успешно проведены опытно-промышленные и промышленные испытания всего комплекса оборудования, определены его объективные технические данные.
-
Результаты работы нашли практическое внедрение на ряде ведущих машиностроительных предприятий Алтайского края.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VII Всесоюзной школе-семинаре "Теория и .практика СВС-процессов" (Черноголовка, 1991), I Международном симпозиуме "Новые порошковые технологии" (С.-Петербург, 199(), Ежегодной конференции Североамериканского общества порошковой металлургии (Торонто, 1993), Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения" (Москва, 1993), I Международной конференции "Проблемы промышленных СВС-технологий" (Барнаул, 199-4 г.), Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1994), III Международном симпозиуме по СВС (Вухан, Китай, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (Барнаул, 1996), Всероссийской научно-технической конференции "Создание защитных и упрочняющих покрытий с использованием концентрированных потоков энергии" (Барнаул, 1996).
Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в 84 печатных работах, получено 26 авторских свидетельств на изобретение и патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Общий объем диссертации 473 страницы, включая 407 страниц текста, 182 рисунка, 24 таблицы, 258 библиографических наименований, приложения 34 страницы.
