УДК 004

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОДУКТОВ СВС В СИСТЕМЕ NI-AL ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ИСХОДНОЙ ШИХТЫ

Богданова Екатерина Владимировна1, Гуляев Павел Юрьевич2, Евсеев Федор Александрович3, Имамов Ринат Рамилевич4, Милюкова Ирина Васильевна5
1Югорский государственный университет, студент
2Югорский государственный университет, доктор технических наук, зав. каф. физико-химии процессов и материалов
3Югорский государственный университет, студент
4Югорский государственный университет, аспирант
5Югорский государственный университет, кандидат физико-математических наук, доцент

Аннотация
Методами металлографического, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микрорентгеноспектрального анализа исследовано влияние уплотнения порошковой смеси исходных продуктов на структурные и фазовые изменения синтезированных СВС-материалов. Полученные результаты позволяют утверждать об общности обнаруженного ранее явления «температурного гистерезиса» скорости горения в реакциях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.

Ключевые слова: Структурно-фазовые изменения продуктов СВС


STRUCTURAL AND PHASE CHANGES OF SHS PRODUCTS IN NI-AL SYSTEM WITH VARYING DEGREES OF INITIAL CHARGE DENSITY

Bogdanova Ekaterina Vladimirovna1, Gulyaev Pavel Yurevich2, Evseev Fyodor Aleksandrovich3, Imamov Rinat Ramilevich4, Milyukova Irina Vasilevna5
1Ugra State University, student
2Ugra State University, Dr. of Technical Sciences, head of the department of physical chemistry processes and materials
3Ugra State University, student
4Ugra State University, graduate student
5Ugra State University, PhD, Associate Professor

Abstract
Methods of metallographic, X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM) and electron microprobe analysis investigated the influence of compaction of powder mixtures of the starting materials on the structural and phase change materials synthesized by SHS. These results suggest about the community of previously observed phenomenon of "thermal hysteresis" burning rate in reactions SHS. The reported study was partially funded by RFBR according to the research project No. 15-42-00106.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Богданова Е.В., Гуляев П.Ю., Евсеев Ф.А., Имамов Р.Р., Милюкова И.В. Структурно-фазовые изменения продуктов СВС в системе Ni-Al при различной степени уплотнения исходной шихты // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/06/68821 (дата обращения: 20.11.2016).

Введение

Концепция направленного управления свойствами и структурно-фазовым составом конечных продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВC) материалов [1,2] основана на зависимости от температуры процессов диффузии и теплопроводности в неплотноупакованных порошковых системах [3,4]. Температурная стимуляция диффузии изменяет ее закон в тонких пленках от обычной равновесной параболической диффузии до аномально высокой реактивной диффузии с экспоненциальной зависимостью, что неоднократно подтверждалось экспериментальными данными микропирометрии локальных очагов волны горения [5-7]. Теплопроводность с ростом температуры в пористых дисперснофазных средах, в отличие от сплошных твердых тел, меняет не только функциональную зависимость вследствии изменения числа Био при спекании контактных площадок частиц, но также меняет физический механизм в результате появления эффективной передачи тепла путем радиационного теплообмена [12,13]. Коэффициент теплоотдачи тепловым излучением в пористых средах имеет степенной вид закона Стефана-Больцмана, но в результате дифракционного предела Кирхгофа для проникновения излучения в малые поры «включается» только после достижения температурой некоторого порогового значения, при котором виновское смещение длины волны максимума теплового излучения волны горения СВС становится на порядок меньше размера поры [14-17]. Таким образом, обнаруженное нами ранее явление «температурного гистерезиса» скорости волны горения СВС получает свое объяснение [18-21]. Температурнй гистерезис приводит к появлению закалочных режимов формирования структуры и может наблюдаться зависимость структурно-фазовых изменений конечных продуктов синтеза от степени уплотнения исходной порошковой смеси. Исследование этого вопроса имеет особое значение в случае последующего применения СВС-материалов в процессах газотермического напыления [19-22] и эксплуатации в экстремальных климатических условиях, например при срочном восстановлении элементов оснований фундаментов [23-27] при больших деформациях из-за неравномерной осадки или температурного воздействия [28-33].

Методы исследования

Исследование микроструктуры образцов проводилось с применением металлографического, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микрорентгеноспектрального анализа [1, 35-37]. Синтез каждого образца сопровождался высокоскоросным микропирометрическим контролем [38-41] и термохроноскопическим анализом локальных процессов диффузии и теплопереноса [42,43]. Методика практического применения оригинальных методов термохроноскопического анализа, в сочетании с традиционными методами металлографии и микроскопии, иллюстрируется в работах [44-47].

Проведение и результаты эксперимента

Качественный рентгенофазовый анализ показал, что основной фазой в структуре является интерметаллид NiAl, а также присутствует небольшое количество фазы Ni2Alи
Ni3Al
(рис. 1.). Проанализировав рентгенограммы можно сказать, что количество фазы Ni2Al3 уменьшается, с повышением степени уплотнения.

Рисунок 1 Дифрактограммы образцов с кажущейся плотностью 2, 2,3 и 2,6 г/см3

По данным металлографического анализа (рис. 2.) видно, что в микроструктуре присутствуют более темные и более светлые участки основной фазы NiAl, которые отличаются микротвердостью. Твердость более светлой фазы, с увеличением кажущейся плотности, изменяется от 407,3 до 522,5 HV, а более темной фазы – от 338,7 до 477,6 HV. Следует отметить, что микроструктуры даже для одного образца различаются между собой, что свидетельствует о статистическом характере распределения фаз по всему объему образцов. Фазу Ni2Al3, выявленную с помощью рентгенофазового анализа, металлографическим анализом выявить не удалось.

Рисунок 2. Микроструктура спеков образцов с разной степенью уплотнения шихты:

а - r= 2 г/см3; б -r= 2,3 г/см3; в - r= 2,6 г/см3

Светлые и темные участки основной фазы были исследованы, в растровом электронном микроскопе с рентгеновской приставкой на содержание элементов алюминия и никеля. По данным микрорентгеноспектрального анализа (рис. 3.) процентное содержание Ni и Al в участках различной степени отражения различается, но в пределах области гомогенности эквиатомного никелида алюминия. Структура алюминида никеля становится более однородной, с увеличением степени уплотнения насыпки.

Рисунок 3. Анализ спектрального состава фаз: а – участок спектра 2; б – участок спектра 3

Выводы:

  1. Скорость фронта горения и адиабатическая температура возрастают соответственно с увеличением кажущейся плотности.
  2. По данным металлографического и рентгенофазового анализа структура СВС спека состоит из фазы твердого раствора на основе интерметаллида NiAl (основная фаза) и Ni2Al3, причем соотношение фаз меняется в зависимости от степени уплотнения, приближаясь к монофазной структуре NiAl.
  3. По данным микрорентгеноспектрального анализа обнаружено неравномерное распределение Ni и Al по объему твердого раствора на основе NiAl. С увеличением кажущейся плотности структура никелида алюминия становится более однородной.

    Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.


Библиографический список
  1. Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes/P. Gulyaev, H. Cui, I. Gulyaev, I. Milyukova//High Temperatures – High Pressures. 2015. Т. 44. № 2. С. 83-92.
  2. Структурно-фазовые изменения в порошковых СВС-материалах при плазменном нанесении покрытий/П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев, И. В. Милюкова //Известия высших учебных заведений. Физика. 2007. № 9. С. 349-352.
  3. Gulyaev I., Gulyaev P., Milyukova I. Plasma spray of metal and cermet coatings from Ni-Al alloys prepared by SHS process//
    В книге: International symposium on self-propagating high temperature synthesis SHS XIII. 2015. С. 221-222.
  4. Гуляев И.П. Плазменная обработка дисперсных материалов: монография .-Том. Часть I. Физические основы.-Ханты-Мансийск: УИП ЮГУ, 2013.-115 с.
  5. Бороненко М.П., Гуляев И.П., Серегин А.Е. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе//Вестник Югорского государственного университета. -2012. -№ 2. -С. 7-15.
  6. Гуляев И.П. Применение низкотемпературной плазмы для получения полых керамических порошков с заданными характеристиками//Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-3. С. 123-126.
  7. Бороненко М.П.Гуляев И.П.Серегин А.Е. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе//Вестник Югорского государственного университета. -2012. -№ 2. -С. 7-15.
  8. Komienko E.E.Lapushkina E.J.Gulyaev I.P., et al. Air plasma sprayed coatings of self-fluxing powder materials//Journal of Physics: Conference Series. 2014. Т. 567. № 1. С. 012010.
  9. Гуляев И.П. Особенности получения и обработки полых частиц диоксида циркония в плазменных потоках//Вестник Югорского государственного университета. 2009. № 2. С. 10-22.
  10. Гуляев И.П. Плазменная обработка полых порошков в камере переменного давления//Вестник Югорского государственного университета. 2013. № 2 (29). С. 23-30.
  11. Бороненко М.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Серегин А.Е. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-2. С. 70-73.
  12. Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления/М.П. Бороненко, И.П. Гуляев, П.Ю. Гуляев, А.И. Демьянов, А.В. Долматов, В.И. Иордан, В.Н. Коржик, И.В. Кривцун, М.Ю. Харламов//Фундаментальные исследования. 2014. № 11-10. С. 2135 -2140.
  13. Solonenko O. P., Gulyaev I. P., Smirnov A. V. Plasma processing and depositions of powdered metal oxides consisting of hollow spherical particles//Technical Physics Letters. -2008. -Т. 34. -№ 12. -P. 1050-1052.
  14. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Долматов А.В. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений//Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -1997. № 2. С. 114-115.
  15. Плазменная обработка и напыление порошков оксидов металлов, состоящих из полых сфер/О. П. Солоненко, И. П. Гуляев, А. В. Смирнов//Письма в ЖТФ, 2008. -Том 34. -Вып. 24. -С. 22-27.
  16. Гуляев И.П., Ермаков К.А., Долматов А.В., Гуляев П.Ю. Оценка точности измерения температур спектральным пирометром по результатам виртуального эксперимента//Ползуновский альманах. 2014. № 1. С. 20-25.
  17. Ващенко С.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Кузьмин В.И. Экспресс-контроль движения и нагрева частиц при газотермическом напылении//В сборнике: Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта. Теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 2015. С. 61-68.
  18. М.П. Бороненко, А.Е. Серегин, П.Ю. Гуляев, И.В. Милюкова Оценка времени фазообразования в системе горения NiAl методом визуализации тепловых полей//Научная визуализация.–2015. – Т. 7.-№ 5 – С. 102-108.
  19. Phase formation time evaluation in NiAl combustion systems by the thermal fields visualization method / M.P. Boronenko, A.E. Seregin, P.Yu. Gulyaev, I.V. Milyukova // Scientific Visualization. 2015. Vol. 7. № 5. pp. 102-108.
  20. Anomalous high-velocity outbursts ejected from the surface of tungsten microdroplets in a flow of argon-air plasma / I.P. Gulyaev, A.V. Dolmatov, P.Yu. Gulyaev, V.I. Iordan, M.Yu. Kharlamov, I.V. Krivtsun //  IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.- 2016.- Volume 110.- conference 1.- 012057 doi:10.1088/1757-899X/110/1/012057
  21. Control of dispersed-phase temperature in plasma flows by the spectral-brightness pyrometry method / A.V. Dolmatov, I.P. Gulyaev, P.Yu. Gulyaev, V.I. Iordan // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.-2016.-Volume 110.- conference 1.- 012058. doi:10.1088/1757-899X/110/1/012058
  22. Arc-Plasma Wire Spraying: An Optical Study of Process Phenomenology/I. P. GulyaevA. V. DolmatovM. Yu. KharlamovP. Yu. GulyaevV. I. Jordan, et al.//Journal of Thermal Spray Technology.-2015.-Volume 24, Issue 11.-pp. 1-8. DOI: 10.1007/s11666-015-0356-6
  23. Experimental investigation of process of plasma-arc wire spraying / I.P. Gulyaev, P.Yu. Gulyaev, V.N. Korzhik, A.V. Dolmatov, V.I. Iordan, I.V. Krivtsun, M.Yu. Kharlamov
    and A.I. Demianov // The Paton Welding Journal. – 2015. – № 3-4. – pp. 36-41.
  24. Экспериментальное исследование процесса плазменно-дугового проволочного напыления / Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Коржик В.Н., Долматов А.В., Иордан В.И., Кривцун И.В., Харламов М.Ю., Демьянов А.И. //Автоматическая сварка.- 2015.- № 3-4.- С. 37-43.
  25. Гуляев Ю. П., Павлов А. П. Геодезические исследования техногенной геодинамики на строящейся Богучансткой ГЭС//Гидротехническое строительство. -1993. -№ 9. -С. 8-11.
  26. Гуляев Ю.П., Хорошилов В.С., Лисицкий Д.В. О корректном подходе к математическому моделированию деформационных процессов инженерных сооружений по геодезическим данным//Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2014. № S4. С. 22-29.
  27. Гуляев Ю.П. Алгоритм оценивания параметров динамической модели и прогнозирования процесса перемещений наблюдаемых точек сооружения//Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». -1984. -№ 3. -С. 26-32.
  28. Гуляев Ю. П., Максименко Л. И., Хорошилов Е. В. Параметры осадок фундаментов как характеристики состояния зданий//Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2009. № 5. С. 44-48.
  29. Гуляев Ю.П., Каленицкий А.И. Задачи экогеологического и деформационного мониторинга.//Геодезия и картография. -1996. -№ 3. -С. 49-51.
  30. Гуляев Ю.П. О геодезическом мониторинге природно-технических систем и оптимальном конструировании его топографо-геодезической основы/Ю.П.Гуляев, Е.А.Васильев//Геодезия и картография.-2001.-№4.-С.5-9.
  31. Гуляев Ю.П. Классификация и взаимосвязь математических моделей для прогнозирования процессов деформации сооружений по геодезическим данным//Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». -1985. -№ 1. -С. 39-44.
  32. Vergounov E. G., Gulyayev Yu. P. Optimal Land Measuring Work Package for the Archaeological Research in Gorny Altai and Creation of the Specialized GIS (Geographic Information System)//FIG Working Week 2004. -Athens, Greece, 2004. -P. 2348-2377.
  33. Гуляев Ю.П., Гуляев П.Ю. Неразрушающий контроль и математическое моделирование деформаций оснований фундаментов по топографо-геодезическим измерениям// Современная техника и технологии. 2015. № 11 (51). С. 93-96.
  34. Плазменное напыление износостойких покрытий из порошков самофлюсующихся сплавов/В.И. 
    Кузьмин, С.П. Ващенко, И.П. Гуляев, Е.В. Картаев, Д.В. Сергачёв, Е.Е. Корниенко, А.В. Долматов // Вестник Югорского государственного университета. 2015. № 2 (37). С. 45-52.
  35. Gulyaev I. Experience in plasma production of hollow ceramic microspheres with required wall thickness//Ceramics International. 2014. Т. 41. № 1. С. 101-107. DOI:  10.1016/j.ceramint.2014.08.040
  36. Гуляев И.П. Тепловая эффективность плазменной струи//
    Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 (56). С. 16-21.
  37. Бажайкин А.Н., Баев В.К., Гуляев И.П. Измерение температуры пламени при горении встречных струй//Вестник Югорского государственного университета. 2015. № 2 (37). С. 7-13.
  38. Гуляев И.П., Маковеев А.О. Контроль температуры частиц при получении полых порошков ZrO2 в потоке электродуговой плазмы//Ползуновский альманах. 2013. № 1. С. 37-41.
  39. Воздушно-плазменное напыление покрытий из самофлюсующихся порошковых материалов/Е.Е.Корниенко, Е.Ю. Лапушкина, В.И. Кузьмин, С.П. Ващенко, И.П. Гуляев, Е.В. Картаев, С.Н. Шарифуллин, И.И. Файрушин, Д.С. Сергачев, Н.Ф. Кашапов//
    Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий. 2015. Т. 1. № 6. С. 229-237.
  40. Dolmatov A.V., Gulyaev I.P., Jordan V.I. The optical control system of dispersed phase properties in thermal spray process//В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. С. 012041.
  41. Формирование плазменных металлических покрытий при радиально-кольцевой инжекции частиц потока/ В.И. 
    Кузьмин, С.П. Ващенко, И.П. Гуляев, Е.В. Картаев, Д.В. Сергачёв, Е.Е. Корниенко, А.В. Долматов//
    В сборнике: ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ, НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ И РЕМОНТА: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 2015. С. 132-138.
  42. Boronenko M.P., Gulyaev P.Yu., Seregin A.E., Bebiya A.G. Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Т. 93. № 1. С. 012021.
  43. Šiler P., Gulyaev P., Boronenko M. Nanosecond Measurement based on Electro-optical Shutter System // Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов: сборник научных статей VI Международной научно-практической конференции / отв. ред. В.И. Иордан (Барнаул, 11–12 марта 2016 г.). – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2016. – 300 с. – C. 48-51.
  44. Cui Hong-Zhi, Gulyaev P.Yu. The Temperature Control in the Combustion Wave SHS // Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов: сборник научных статей VI Международной научно-практической конференции / отв. ред. В.И. Иордан (Барнаул, 11–12 марта 2016 г.). – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2016. – 300 с. – C. 207-211.
  45. Лазерная стабилизация биогелей с наночастицами простых и сложных оксидов титана, железа и молибдена / Блинова Н.Н., Котванова М.К., Гуляев П.Ю., Омельченко А.А., Павлова С.С., Соболь Э.Н.// Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: Сборник материалов VI Международной конференции (Москва. 10-13 ноября 2015 г.). – М: ИМЕТ РАН, 2015.- С. 635-637.
  46. SHT-Synthesis and application of biofunctional nanoparticals used high photo-thermal effect for laser heating of biotissues / P.Yu. Gulyaev, M.K. Kotvanova, A.I. Omelchenko, E.N. Sobol //The 23-th Annual International Conference on Advanced Laser Technologies, Book of abstracts.- Faro, Portugal. September 7-11, 2015.- p. 46.
  47. Kotvanova M., Blinova N., Gulyaev P., Dolmatov A., Pavlova SEvoluation of combustion temperature and combustion speed of process of SH-Synthesis of titanium oxide bronze // В сборнике: International symposium on self-propagating high temperature synthesis SHS XIII. 2015. С. 160-161.


Все статьи автора «Гуляев Павел Юрьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация