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 Ni₂Al₃ и
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 Ni₂Al_3, 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 Ni₂Al_3, 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.

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. Gulyaev, A. V. Dolmatov, M. Yu. Kharlamov, P. Yu. Gulyaev, V. 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 S. Evoluation 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»