Thermostimulation of titanium aluminide synthesis by high-calorie mixtures

Irina V. Milyukova; Милюкова Ирина Васильевна; Ruslan D. Yunusov; Юнусов Руслан Данилович

doi:10.17816/byusu2019417-23

Термостимуляция синтеза алюминида титана высококало-рийными смесями

Авторы: Милюкова И.В.¹, Юнусов Р.Д.¹
Учреждения:
1. Югорский государственный университет
Выпуск: Том 15, № 4 (2019)
Страницы: 17-23
Раздел: НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/18939
DOI: https://doi.org/10.17816/byusu2019417-23
ID: 18939

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В работе проведен сравнительный микроструктурный и фазовый анализ образцов алюминида титана, полученных метолом СВС в оболочках из высокоэкзотермической термитной смеси и эквимолярной смеси никеля и алюминия. Энергия экзотермических реакций оболочек позволяет разогреть шихту на основе титана и алюминия и запустить в ней СВС-реакцию. В образце спека в оболочке Ni-Al реакция синтеза алюминида титана прошла не полностью; образцы имеют высокопористую структуру с небольшими каркасными включениями интерметаллидов. При синтезе образцов в оболочке из термитной смеси получен сплав, оптимальный по пористости и структуре. Основной фазой в образцах, полученных в разных режимах, является алюминид титана, также в обоих образцах присутствуют включения, обогащенные по титану (фазы Ti₃Al, Ti₂Al), при этом фазовый анализ не выявил наличие исходных компонентов шихты.

Ключевые слова

самораспространяющийся высокотемпературный синтез, алюминид титана, технология Core – Shell, тепловой взрыв, никелид алюминия, термитная смесь

Полный текст

Введение

Для рабочих температур 500–900°С наиболее перспективными являются материалы на основе алюминидов титана. Термодинамическая устойчивость, высокая термостойкость в сочетании с низкой плотностью создают хорошие перспективы для их применения в авиакосмической технике и энергетике.

Причина, по которой сложно получить сплав, обуславливается большой химической активностью компонентов, разницей температур плавления и испарения, необходимостью использования высокотемпературного вакуумного оборудования. Существующая технология сложна. Поэтому важной задачей является поиск доступных способов получения материалов на основе сплава Ti-Al [1-4]. Одним из наиболее перспективных методов считается самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), основанный на явлении автоволнового распространения реакции твердопламенного горения.

Целью работы является экспериментальное исследование термостимуляции низкоэкзотермической смеси в системе Ti-Al в процессе СВ-синтеза.

Методика исследования

Экспериментальная установка для технологии Core-Shell включала в себя две кварцевые пробирки толщиной 2 мм, помещенные в несущую конструкцию – металлический стакан с песком внутри. Во внешнюю трубку диаметром 35 мм вставлялась внутренняя диаметром 17 мм. После засыпки порошков внутренняя пробирка извлекалась.

Рисунок 1 – Экспериментальная оснастка для реализации технологии Core-Shell

Пространство между пробирками заполнялось экзотермичной смесью, объем внутренней пробирки заполняется шихтой Ti-Al с насыпной плотностью 2,1 г/см³. Для стабильного протекания реакции горения Ti-Al необходимо большое количество теплоты, которая выделяется при синтезе компонентов оболочки. В качестве термостимулирующей системы первоначально была выбрана система Ni-Al.

Для проведения синтеза Ti-Al методом Core-Shell в оболочке Ni-Al были использованы порошки Ti и Al, марка и дисперсность которых представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные порошки для основного сплава

Порошки	Марка	Дисперсность, мкм
Ti	ПТМ	150
Al	ПА-4	50

Соотношение компонентов шихты составляло 50 ат. % Ti и 50 ат. % Al, соотношение по массе термостимулирующей смеси и низкокалорийной шихты Ti-Al составляло 1:1.

Порошки в дальнейшем просушивались в течение 2 часов в вакуумной печи при температуре 100–150ºС и смешивались в смесителе типа «пьяной бочки» в течение 2 часов.

Энтальпия образования эквиатомного никелида алюминия достаточно высока, чтобы обеспечить прогрев основной шихты для инициирования теплового взрыва: Ni + Al = NiAl + Q, Q = 1356 кДж/кг.

В таблице 2 указаны данные по порошкам и весовой состав шихты на β-фазу.

Таблица 2 – Используемые порошки для оболочки Ni-Al

Порошки	Марка	Дисперсность, мкм	Весовой процент
Ni	ПНК-УТ3	до 15	68,5 %
Al	ПА-4	50	31,5 %

Перед синтезом оснастка загружалась в вакуумную печь и прогревалась до 150°С в течение 2 часов. Инициирование реакции проводилось поджигом диборида титана на поверхности Ni-Al нихромовой спиралью.

Альтернативной заменой смеси Ni-Al является термитная смесь с более высокой экзотермикой, чем энтальпия образования никелида алюминия, что показано в таблице 3.

Таблица 3 – Разница энтальпии реакции в различных оболочках

Оболочки	Тепловая энергия, кДж/кг
NiAl	1356
Fe₂O₃+Al	1698

Для стабильного протекания реакции горения Ti-Al необходимо большое количество теплоты, выделяемое системой Fe₂O₃+Al в пропорции 80 масс. % Fe₂O₃ и 20 масс. % Al марка, дисперсность и весовой состав которых представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Порошки для термитной оболочки

Порошки	Марка	Дисперсность	Весовой процент
Fe₂O₃		до 100 мкм	80 %
Al	ПА-4	50 мкм	20 %

Инициирование реакции проводилось нанесением диборида Ti на поверхность термитной смеси и дальнейшем поджиганием при помощи нихромовой спирали [4].

Результаты эксперимента

Для изучения микроструктуры полученных в результате синтеза образцов использовали металлографический микроскоп ZEISS Axiovert 200 MAT с системой обработки изображения «ВидеоТест Структура – 5» и микротвердомер DM-8. Рентгенофазовый анализ выполнен на дифрактометрах ARL X`TRA и ДР-01 «Радиан» в медном излучении Cu – Kα с шагом 0,05 и временем экспозиции 2 секунды. Для идентификации фаз использовались данные POWDER DIFFRACTION FILE (картотека ASTM).

На рисунке 2 показан образец сплава, изготовленного методом СВС в оболочке никелида алюминия, который имеет высокопористую структуру с небольшими каркасными включениями интерметаллидов.

Рисунок 2 – Микроструктура и дифрактограмма сплава Ti -Al, изготовленного методом СВС в оболочке Ni-Al

Основной фазой каркаса сплава является фаза TiAl, также присутствует фаза Ti₂Al (рис. 2). Высокая пористость образцов свидетельствует о недостатке теплоты для прохождения реакции в режиме теплового взрыва, характерной для системы Ti-Al. Можно говорить лишь о локальных объемах, где прошел СВС, хотя рентгенофазовый анализ не выявил наличие исходных компонентов шихты в исследуемых образцах. Синтез в порошковой смеси никеля и алюминия оболочки прошел до конца, и можно констатировать высокую степень свариваемости двух разнородных сплавов.

В связи с недостаточностью теплоты от экзотермических реакций в системе Ni-Al было решено заменить внешний нагреватель на высокоэнтальпийную смесь Fe₂O₃-Al, тем более что подобные исследования уже проводились [1]. СВС в т. н. донорной системе, где адиабатическая температура горения превышает 3000 К [1], протекает быстро, с высокой теплоотдачей, но времени для переноса тепла и инициирования теплового взрыва в основной шихте может быть недостаточно. Однако если отношение масс термитной и низкоэкзотермичной смеси составляет 2:1, то теплопередача из оболочки в основную шихту приводит к инициированию реакции между титаном и алюминием и поддерживает ее до завершения процесса фазообразования [5; 6].

Основной фазой матрицы пористого сплава, полученного методом СВС, является фаза TiAl, также присутствует α₂-фаза Ti₃Al (рис. 3). Микроструктура образцов алюминида титана, полученного методом СВС в оболочке термитной смеси, отличается от структуры образцов, полученных в оболочке никелида алюминия, а также ранее на воздухе. Морфология интерметаллидных фаз в большей степени игольчатая, что может говорить о высокой скорости охлаждения полученного сплава и получения мартенситоподобной структуры.

Рисунок 3 – Микроструктура и дифрактограмма образца алюминида титана, полученного методом СВС в оболочке из термитной смеси

В работе была измерена скорость распространения волны горения СВ-синтеза с применением метода пирометрии высокого разрешения с обработкой данных в программе ImageJ [5; 7; 11]. Известно, что СВС сопровождается движущимися зонами реакции, которые имеют высокую температуру [9–10]. Зоны реакции отделяют непрореагировавшие вещества от продуктов реакции.

Определение скорости осуществлялось по видеофайлам, снятым на камеру с частотой кадров 240 fps (рис. 4, а). Область визирования охватывала высоту насыпки 3 см. Скорость реакции определяется построением графика и определением первой производной времени от координаты «центра масс». На рисунке 4 видно, что область прореагированной шихты отличается от непрореагированой яркостью пикселов. Объем прореагированного вещества увеличивается в объеме всей шихты. Для определения «центра масс» необходимо произвести маскирование, которое разделяет прореагированное вещество от непрореагированного. Для этого необходимо установить порог минимальной яркости. После получается черно-белое изображение (рис. 4, б), на котором белая область соответствует прогоревшей области.

Рисунок 4 – Данные для определения скорости фронта горения: а) видеофайлы процесса синтеза; б) бинарная маска

Далее следует построение графика зависимости координаты центра масс от времени в программе Origin и определение скорости фронта горения (рис. 5).

Рисунок 5 – График зависимости координаты центра масс от времени

Скорость составила в начале процесса СВС 31,88 мм/с, что соответствует распространению фронта горения в режиме теплового взрыва, и через 3 секунды она составила 8,55 мм/с (рис. 5), что характерно для автоволнового режима распространения реакции СВС с последующей стадией диффузионного процесса фазообразования [12].

Выводы

Методом стимуляции низкокалорийной системы Ti-Al получены образцы алюминида титана в оболочках высокоэнтальпийных систем Ni-Al и Fe₂O₃+Al. В оболочке из смеси никеля и алюминия не был достигнут термостимулирующий эффект в полной мере из-за высокой пористости полученного целевого продукта. Увеличение массовой доли смеси Ni-Al для увеличения энергии всей системы экономически нецелесообразно. Наилучший состав для получения пониженной пористости структуры конечного продукта достигается при отношении масс термитной и низкоэкзотермичной смеси 2:1, в результате чего формируется сплав с основной фазой TiAl и включениями α₂ фазы Ti₃Al.

Об авторах

Ирина Васильевна Милюкова

Югорский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: i_milykova@ugrasu.ru

кандидат физико-математических наук, доцент Института нефти и газа

Россия, Ханты-Мансийск

Руслан Данилович Юнусов

Югорский государственный университет

Email: r_yunusov@ugrasu.ru

Магистрант Института нефти и газа

Россия, Ханты-Мансийск

Список литературы

Thermally Coupled SHS Reactions: Experimental Study / A. V. Linde, L. A. Studenikin, V. V. Grachev, A. G. Mcrzhanov // Proceedings of ihe XII International Symposium on Self-propagating High-Temperature Synthesis (21-24 October 2013, South Padre Island, Texas, USA). – 2013. – P. 116–117.
Combustion synthesis in bi-laycred (Ti-AI)/(Ni-Al) system / A. E. Sytschcv, D. Vrcl, O. D. Boyarchenko [at al.] // Journal of Materials Processing Technology. – 2012. – Vol. 240. – P. 60–67.
Initiation of thermal explosion in TiAI nanofoils / A. I. Ustinov, D. N. Kuzmenko, M. V. Kravchuk, Ya. D. Korol // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthe-sis. – 2015. – Vol. 24. – Iss. 2. – P. 72–77.
Баранов, H. C. Технология Core-Shell для получения биосовместимого материала на ос-нове никелида титана методом СВС / О. З.Антонов, H. C.Баранов, И. В.Милюкова. – Текст : непосредственный // Новые материалы и перспективные технологии : IV Меж-дисциплинарный научный форум с международным участием. – Москва, 2018. – С. 243–247.
Оценка времени фазообразования в системе горения NiAl методом визуализации тепло-вых полей / М. П. Бороненко, А. Е. Серегин, П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова. – Текст : не-посредственный // Научная визуализация. – 2015. – Т. 7. – № 5. – С. 102–108.
Thermal analysis of reaction producing KXTiO2 / K. Borodina, N. Blinova, M. Boronenko, P. Gulyaev. – doi: 10.1007/s10973-017-6840-0 // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2018. – Vol. 131. – № 1. – P. 561–566.
Гуляев, П. Ю. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений / П. Ю. Гуляев, Ю. П. Гуляев, А. В. Долматов // Вестник СГУГиТ. – 1997. – № 2. – С. 114–115.
Dolmatov, A. Chrono-topographic analysis of the fire focus dynamics in the SHS wave / A. Dolmatov, P. Gulyaev, I. Milyukova. – doi: 10.1088/1742-6596/1115/4/042024 // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1115. – № 4. – P. 042024.
Dolmatov, A. V. Investigation of structure formation in thin films by means of optical pyrometry / A. V. Dolmatov, I. V. Milyukova, P. Y. Gulyaev. – doi: 10.1088/1742-6596/1281/1/012010 // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. Vol. 1281. – P. 012010.
Dolmatov, A. Thermal imaging complex with tracking function for joint research of microheterogeneous processes and macrokinetics of SHS phenomenon / A. Dolmatov, P. Gulyaev. – doi: 10.1088/1742-6596/1333/6/062006 // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1333. – P. 062006.
Григорьевская А. А. Компьютерная визуализация радиационного теплопереноса в волне горения СВС / А. А. Григорьевская, П. Ю. Гуляев. – Текст : непосредственный // Ползу-новский альманах. – 2019. – № 4. – С. 5–9.
Gulyaev, P. Instability of the Ni-Al combustion wave in the Zeldovich-Barenblatt parameters / P. Gulyaev, A. Dolmatov, V. Jordan. – doi: 10.1088/1742-6596/1353/1/012036 // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1353. – № 1. – P. 012036.