Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время одним из наиболее перспективных способов получения тугоплавких неорганических соединений является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в основе которого лежит использование энергии экзотермического взаимодействия конденсированных веществ с образованием твердофазных конечных продуктов. Отличительной чертой процесса СВС является то, что синтез конечных продуктов происходит в термодинамически неравновесных условиях. Этот факт выделяет процесс СВС в ряд перспективных технологий получения материалов в неравновесных условиях. Такие технологии открывают широкие возможности к созданию различных материалов с наперед заданной структурой и физико-механическими свойствами. Одной из актуальных проблем как СВС-процесса, так и других неравновесных технологий является изучение влияния внешних воздействий на характер кинетики процесса и на механизмы структурообразования.
Анализ возможностей СВС показывает, что существует несколько способов направленного регулирования состава и структуры СВС-продуктов. Такими способами являются: воздействие на исходную систему и ее компоненты (различные вариации состава, диспергирование, предварительное сплавление); изменение условий проведения процесса (температура, давление); наложение на систему центробежных, электрических и магнитных полей, а также ультразвуковых колебаний (УЗК), которые позволяют оперативно изменять механизм и кинетику формирования состава конечного продукта. В литературе отсутствуют данные по исследованию влияния УЗК на параметры процесса горения и состав продуктов синтеза гетерогенных систем с твердым многофазным конечным продуктом. Система титан-кремний характеризуется наличием большого числа фаз, и в зависимости от состава шихты возможно получать как моно-, так и многофазный конечный продукт. Поэтому исследование процесса горения такой системы при наложении УЗК представляет как научный интерес, в плане исследования воздействия ультразвука на механизм горения и структурообразования получаемого продукта, так и практический, как способ активного влияния его на структуру и фазовый состав синтезируемых материалов. В связи с этим в рамках Республиканской комплексной программы "Материал 2.08" по теме "Исследование влияния концентрированных потоков энергии на процессы обработки металлов давлением, термической и поверхностной обработки и синтеза" были проведены исследования по изучению воздействия ультразвуковых колебаний на синтез силицидов титана методом СВС, а именно: на
фазовый состав, параметры кристаллических решеток фаз, электросопротивление и микроструктуру, а также на условия проведения синтеза (скорость и максимальную температуру горения).
Целью диссертационной работы являлось исследование влияния УЗК на фазовый состав, параметры кристаллических решеток фаз, электросопротивление и микроструктуру получаемого в результате синтеза конечного продукта, условия синтеза (скорость и максимальную температуру горения) системы титан-кремний.
Для выполнения поставленной цели потребовалось провести следующие исследования:
1. Изучить характер взаимодействия УЗК с исходными образцами;
2. Исследовать воздействие УЗК на условия теплообмена между образцом и
окружающей средой;
-
Исследовать влияние УЗК на параметры волны горения, а именно - скорость и максимальную температуру горения;
-
Исследовать влияние УЗК на кристаллическую структуру синтезированных фаз, фазовый состав, электросопротивление и микроструктуру продуктов синтеза;
-
На основании полученных экспериментальных результатов разработать модель воздействия УЗК на процесс СВС.
Научная новизна. В результате проведенных исследований автором были получены следующие оригинальные результаты. Установлено, что СВС процесс, при наложении УЗК, протекает при постоянной начальной температуре; Действие ультразвука приводит к уменьшению скорости и максимальной температуры горения. Характер изменения скорости и максимальной температуры горения одинаков: при снижении скорости горения одновременно снижается максимальная температура горения. Учет влияния ультразвука на процесс теплоотдачи с поверхности образцов в окружающую газовую среду показал, что коэффициент теплоотдачи увеличивается при наложении УЗК на образцы, причем величина коэффициента теплоотдачи не зависит от состава исходной шихты. Теоретически установлено, что увеличение теплоотдачи приводит к уменьшению скорости и максимальной температуры горения.
Методами рентгенографического и металлографического анализов и измерением электросопротивления изучен фазовый состав и структура конечных продуктов синтеза силицидов титана, полученных при наложении УЗК. Установлено, что наложение УЗК на смеси с многофазным конечным продуктом в процессе их горения приводит к изменению фазового состава и электросопротивления продуктов синтеза, т.е. меняется количественное соотношение фаз Ti5Si3 и TiSt2- В смеси Ti+0.8Si количество фазы Ti5Si3 растет, а в смеси Ti+I.OSi - падает по отношению к фазе TiSij.
При металлографических исследованиях получено, что воздействие ультразвуковых колебаний на процесс синтеза приводит к изменению как размеров так и формы зерен. Распределение зерен по размерам становится более однородным. Структура зерен становится более равноосной. Увеличение содержания кремния в исходной шихте приводит к измельчению зеренной структуры синтезированных образцов.
В результате теоретического рассмотрения в качестве возможного механизма влияния УЗК на СВС процесс, ответственного за снижение скорости и температуры горения, предложено увеличение коэффициента теплоотдачи с поверхности горящего образца под действием УЗК.
Практическая ценность. Результаты исследований по влиянию УЗК на горение и синтез гетерогенной системы титан-кремний могут быть использованы для уточнения и расширения представлений о механизме процессов, происходящих в волне синтеза под действием УЗК. Воздействие УЗК на СВС-процесс может быть использовано в качестве метода управления параметрами процесса горения, кристаллической структурой и фазовым составом конечного продукта.
Положения выносимые на защиту:
закономерности уменьшения скорости и максимальной температуры горения при синтезе силицидов титана методом СВС при наложении УЗК;
согласованные изменения фазового состава и электросопротивления продуктов синтеза в зависимости от концентрации компонентов в исходной смеси и амплитуды ультразвуковых колебаний;
модель процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза силицидов титана, учитывающая изменения коэффициентов теплоотдачи и диффузии, при наложении УЗК.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: XI Всесоюзной Акустической конференции, Москва, 1991 г., Международной научно-технической конференции "Ультразвук в технологии машиностроения-9Г, Архангельск, 1991 г., 1-м Международном Симпозиуме "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез", Алма-Ата, 1991 г., Международной конференции "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике", Минск, 1993 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, обшей характеристики работы, 4 -х глав, выводов и списка использованных источников. Она содержит 126 страниц, 23 рисунка, 11 таблиц и список использованных источников из 158 наименований.
Похожие диссертации на Влияние ультразвуковых колебаний на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза силицидов титана
