powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2017-3-4-13powder-302Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛИРОВАНИЯ, МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ, ТЕРМОВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ И ДАВЛЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО ГАЗА НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ СИНТЕЗА СИСТЕМЫ TI–0,5CEFFECT OF GRANULATION, MECHANICAL ACTIVATION, THERMOVACUUM TREATMENT AND AMBIENT GAS PRESSURE ON TI–0,5C SYSTEM SYNTHESIS REGULARITIESКочетовН. А.KochetovN. A.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории динамики микрогетерогенных процессов,

142432, Московская обл, г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior researcher, Laboratory of dynamics of microheterogeneous processes,

143432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

kolyan_kochetov@mail.ruСеплярскийБ. С.SeplyarskiiB. S.

канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией горения дисперсных систем,

142432, Московская обл, г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Laboratory of combustion of dispersed systems, 

143432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

seplb1@mail.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН)РоссияInstitute of Structural Macrokinetics and Materials Science RASRussian Federation20171509201703413Copyright © Кочетов Н.А., Сеплярский Б.С., 20172017Кочетов Н.А., Сеплярский Б.С.Kochetov N.A., Seplyarskii B.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/302

В работе исследованы зависимости скорости горения и изменения относительной длины образцов в процессе горения от давления окружающей атмосферы и времени термовакуумной обработки (ТВО) для смеси Ti + 0,5C. Показано, что ТВО смеси Ti + 0,5C значительно (двукратно) увеличивает скорость горения, а также величину усадки образцов. Усадка образцов происходит под действием сил поверхностного натяжения из-за наличия достаточного количества жидкой фазы в продуктах, обеспечивающих их низкую вязкость. Ранее не удавалось получить прессованные образцы из механически активированной (МА) смеси Ti + C из-за их низкой прочности, а следовательно, не было возможности изучить закономерности их горения. Для решения этой проблемы было использовано предварительное гранулирование исходной смеси Ti + 0,5C перед МА и в результате впервые получены зависимости скорости горения и изменения длины образцов после горения от времени МА. Показано, что механическая активация уменьшает скорость горения смеси и вызывает значительный (трехкратный) рост длины образцов после горения. После ТВО скорость горения МА-смесей приближается к скорости горения исходных смесей при том же времени ТВО. После ТВО сохраняется небольшой рост (в пределах 8 %) образцов конденсированных продуктов реакции из МА-смеси. По результатам рентгенофазового анализа образования продуктов реакции в ходе МА не выявлено. В продуктах горения всех смесей (исходной, активированной и из активированных гранул) присутствуют фаза Ti2C и следы Ti. Рентгенограммы исходной и МА-смесей показывают уширение пиков интенсивности и уменьшение отношения интенсивностей пиков и фона после МА, что свидетельствует о повышении дефектности кристаллической структуры компонентов смесей. Этот эффект усиливается с увеличением времени активации. На основании конвективно-кондуктивной модели распространения волны реакции дано объяснение полученным в работе результатам.

This paper studies dependences of combustion velocities and changes in sample relative lengths from ambient pressure and thermovacuum degassing (TVD) time for the Ti + 0,5C mixture. It was shown that Ti + 0,5C mixture TVD significantly (doubly) increase combustion velocity as well as sample shrinkage. Sample shrinkage occurs under the influence of surface tension due the sufficient quantity of a liquid phase in combustion products that ensure their low viscosity. It was not possible before to obtain pressed samples from the mechanically activated (MA) Ti + C mixture because of their low strength, and therefore to investigate their combustion regularities. To solve this problem, the authors used preliminary granulation of the initial Ti + 0,5C mixture before MA. As a result, dependences of combustion velocity and post-combustion changes in sample lengths from MA time were obtained for the first time ever for the Ti + 0,5C preliminary granulated mixture. It was found that mechanical activation decreases mixture combustion velocity and significantly (triply) increases sample elongation after combustion. Combustion velocity after MA mixture TVD reaches combustion velocity of initial mixtures at the same TVD time. The samples of condensed reaction products from the MA mixture retained a slight elongation (within 8 %) after TVD. X-ray phase analysis revealed no reaction products formed during MA. Combustion products of all mixtures (initial, activated mixture and activated granules) contain the Ti2C phase and Ti traces. X-ray analysis of the initial and MA mixtures shows peaks intensity broadening and reduction of peak intensity to the background intensity ratio after MA thus indicating a higher defect rate in the crystal structure of the components of mixtures. This effect intensifies with an increase in activation time. The study results are interpreted based on the conduction – convection model of reaction wave propagation.

СВСскорость горенияусадкадавление окружающей атмосферытермовакуумная обработкамеханическая активацияконвективно-кондуктивная модель горенияSHScombustion velocityshrinkageambient pressurethermovacuum treatmentmechanical activationconductionconvection combustion modelМ.Л. Бусурина, И.Д. Ковалев, Н.В. Сачкова, Р.А. КочетковReferencesМержанов А.Г., Боровинская И.П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений // ДАН. 1972. Т. 204. No. 2. С. 366—369.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Samoraprostranyayushiisya vyisokotemperaturnyii sintez tugoplavkih neorganicheskih soedinenii [SHS of refractory inorganic compounds]. Doklady Akademii Nauk SSSR. 1972. Vol. 204. No. 2. P. 366—369.Шкиро В.М., Боровинская И.П. Исследование закономерностей горения смесей титана с углеродом // Процессы горения в химической технологии и металлургии: Сб. ст. Черноголовка: Отд-ние Института химической физики АН СССР, 1975. С. 253—258.Shkiro V.M., Borovinskaya I.P. Issledovanie zakonomernostei goreniya smesei titana s uglerodom. In: Protsessyi goreniya v chimicheskoi technologii i metallurgii [Investigation of mixtures titanium with carbon combustion regularities. In: Combustion processes in chemical technologies and metallurgy: Collection of articles]. Chernogolovka: Otdelenie Instituta khimicheskoi fiziki AN SSSR. 1975. P. 253—258.Щербаков В.А., Сычев А.Е., Штейнберг А.С. О механизме дегазации в процессе СВС // Физика горения и взрыва. 1986. T. 22. No. 4. C. 55—61.Shсherbakov V.A., Sychev A.E., Shteinberg A.S. Outgassing macrokinetcs in SPS. Combustion, Explosion and Shock Waves. 1986. Vol. 22. No. 4. P. 437—443. DOI 10.1007/BF00862888.Vadchenko S.G. Gas release during combustion of Ti + + 2B films: Influence of mechanical alloying // Inter. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 2. P. 90—93. DOI: 10.3103/S1061386215020107.Vadchenko S.G. Gas release during combustion of Ti + 2B films: Influence of mechanical alloying . Inter. J. SHS. 2015. Vol. 24. No. 2. P. 90—93. DOI: 10.3103/S1061386215020107.Еремина Е.Н., Курбаткина В.В., Левашов Е.А., Рогачев А.С.. Кочетов Н.А. Получение композиционного материала МоВ методом силового СВС- компактирования с применением предварительного механического активирования исходной смеси Мо—10%В // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. Т. 13. No. 2. С. 197—204.Eremina E.N., Kurbatkina V.V., Levashov E.A., Rogachev A.S., Kochetov N.A. Obtaining the composite MoB material by means of force SHS compacting with preliminary mechanical activation of Mo—10 % B mixture. Chem. Sustain. Development. 2005. Vol. 13. No. 2. P. 197—204.Вьюшков Б.В., Левашов Е.А., Ермилов А.Г., Питюлин А.Н., Боровинская И.П., Егорычев К.Н. Об особенностях влияния предварительной механической активации шихты на параметры СВС-процесса, структуру и свойства многокомпонентного кермета марки СТИМ-5 // Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. No. 5. С. 63—67.V’yushkov B.V., Levashov E.A., Ermilov A.G., Pityulin A.N., Borovinskaya I.P., Egorychev K.N. Characteristics of the effect preliminary mechanical activation of a batch on parameters of the self-propagating high- temperature synthesis process, structure, and properties of multicomponent cermet SHTM-5. Combustion, Explosion and Shock Waves. 1994. Vol. 30. No. 5. P. 630—634. DOI: 10.1007/BF00755828.Найбороденко Ю.С., Касацкий Н.Г., Лавренчук Г.В., Кашпоров Л.Я., Малинин Л.А. Влияние термической обработки в вакууме на горение безгазовых систем // Горение конденсированных и гетерогенных систем: Матер. VI Всесоюз. симп. по горению и взрыву. Черноголовка, 1980. С. 74—77.Naiborodenko Yu.S., Kasatskii N.G., Lavrenchuk G.V., Kashporov L.Ya., Malinin L.A. Vliyanie termicheskoi obrabotki v vakuume na gorenie besgasovyh system. In: Gorenie condensirovannyh i geterogennyh system: Materialy VI Vsesoyusnogo simposiuma po goreniyu i vzryvu [Influence of thermal treatment on combustion of gasless systems: Proc. VI All-Union Symp. on Combustion and Explosion]. Chernogolovka (Russia), 1980. P. 74—77.Смоляков В.К. Микроструктурные превращения в процессе безгазового горения // Физика горения и взрыва. 1990. Т. 26. No. 3. С. 55—61.Smolyakov V.K. Macrostructural transformation in gasless combustion processes. Combustion, Explosion and Shock Waves. 1990. Vol. 26. No. 3. P. 301—307. DOI: 10.1007/BF00751368.Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра // Докл. РАН. 2004. Т. 396. No. 5. С. 640—643.Seplyarskii B.S. The nature of the anomalous dependence of the velocity of combustion of «gasless» systems on sample diameter. Dokl. Phys. Chem. 2004. Vol. 396. No. 4-6. P. 130—133.Аввакумов Е.Г. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.Avvakumov E.G. Fundamental’nye osnovy mekhanicheskoi aktivatsii, mekhanosinteza i mekhanolhimiicheskikh tekhnologii [Basic principles of mechanical activation, mechanosynthesis, and mechanochemical processing]. Novosibirsk: Izdatelstvo SO RAN, 2009.Kochetov N.A., Vadchenko S.G. Mechanically activated SHS of NiAl: Effect of Ni morphology and mechanoactivation conditions // Inter. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 55—58. DOI: 10.3103/S1061386212010086.Kochetov N.A., Vadchenko S.G. Mechanically activated SHS of NiAl: Effect of Ni morphology and mechanoactivation conditions. Intern. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 55—58. DOI: 10.3103/S1061386212010086.Левашов Е.А., Курбаткина В.В., Колесниченко К.В. Закономерности влияния предварительного механического активирования на реакционную способность СВС смесей на основе титана // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2000. No. 6. С. 61—67.Levashov E.A., Kurbatkina V.V., Kolesnichenko K.V. Zakononernosti vliyaniya predvaritel’nogo mehanicheskogo aktivirovaniya na reakcionnuyu sposobnost’ SVS smesei na osnove titana [Peculiarities of the preliminary mechanical activation influence on the SHS titanium based mixtures reactivity]. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2000. No. 6. С. 61—67.Korchagin M.A., Grigorieva T.F., Barinova A.P., Lyakhov N.Z. The effect of mechanical treatment on the rate and limits of combustion in SHS processes // Inter. J. SHS. 2000. Vol. 9. No. 3. P. 307—320.Korchagin M.A., Grigorieva T.F., Barinova A.P., Lyakhov N.Z. The effect of mechanical treatment on the rate and limits of combustion in SHS processes. Inter. J. SHS. 2000. Vol. 9. No. 3. P. 307—320.Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deidda C., Delogu F., Cocco G., Munir Z.A. Role of mechanical activation in SHS synthesis of TiC // J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227—5230.Maglia F., Anselmi-Tamburini U., Deidda C., Delogu F., Cocco G., Munir Z.A. Role of mechanical activation in SHS synthesis of TiC. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. P. 5227—5230.Корчагин М.А., Ляхов Н.З. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез механически активированных смесей // Хим. физика. 2008. Т. 27. No. 1. C. 73—78.Korchagin M.A., Lyakhov N.Z. Self Propagating high temperature synthesis in mechanoactivated compositions. Russ. J. Phys. Chem., Ser. B. 2008. Vol. 2. No. 1. P. 77—82.Rogachev A.S., Shkodich N.F., Vadchenko S.G., Baras F., Chassagnon R., Sachkova N.V., Boyarchenko O.D. Reactivity of mechanically activated powder blends: Role of micro and nano structures // Inter. J. SHS. 2013. Vol. 22. No. 4. P. 210—216. DOI: 10.3103/S1061386213040067.Rogachev A.S., Shkodich N.F., Vadchenko S.G., Baras F., Chassagnon R., Sachkova N.V., Boyarchenko O.D. Reactivity of mechanically activated powder blends: Role of micro and nano structures. Inter. J. SHS. 2013. Vol. 22. No. 4. P. 210—216. DOI 10.3103/S1061386213040067.Bernard F., Gaffet E. Mechanical alloying in the SHS research // Inter. J. SHS. 2001. Vol. 10. No. 2. P. 109—132.Bernard F., Gaffet E. Mechanical alloying in the SHS research Inter. J. SHS. 2001. Vol. 10. No. 2. P. 109—132.Grigorieva T., Korchagin M., Lyakhov N. Combination of SHS and mechanochemical synthesis for nanopowder technologies // KONA. 2002. No. 20. P. 144—158.Grigorieva T., Korchagin M, Lyakhov N. Combination of SHS and mechanochemical synthesis for nanopowder technologies. KONA. 2002. No. 20. P. 144—158.Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение гетерогенных наноструктурных систем (обзор) // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. No. 3. С. 3—30.Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion of heterogeneous nanostructural systems (review). Combustion, Explosion and Shock Waves. 2010. Vol. 46. No. 3. P. 243—266. DOI:10.1007/s10573-010-0036-2.Ковалев Д.Ю., Кочетов Н.А, Пономарев В.И. Критерии критического состояния системы Ni—Al при механоактивации // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. No. 4. С. 99—106.Kovalev D.Yu., Kochetov N.A., Ponomarev V.I. Criteria of the critical state of the Ni—Al system during mechanical activation. Combustion, Explosion and Shock Waves. 2010. Vol. 46. No. 4. P. 457—463. DOI:10.1007/s10573-010-0060-2.Рогачев А.С., Кочетов Н.А., Курбаткина В.В., Левашов Е.А., Гринчук П.С., Рабинович О.С., Сачкова Н.В., Бернар Ф. Микроструктурные аспекты безгазового горения механически активированных смесей. I. Высокоскоростная микровидеосъемка состава Ni + Al // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42. No. 4. С. 61—70.Rogachev A. S., Kochetov N. A., Kurbatkina V. V., Levashov E. A., Grinchuk P. S., Rabinovich O. S., Sachkova N. V., Bernard F. Microstructural aspects of gasless combustion of mechanically activated mixtures. I. High-speed microvideorecording of the Ni-Al composition. Combustion, Explosion and Shock Waves. 2006. Vol. 42. No. 4. P. 421—429. DOI: 10.1007/s10573-006-0071-1.Shkodich N.F., Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Sachkova N.V., Chassagnon R. Reactivity of mechanoactivated Ni—Al blends // Inter. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 2. P. 104—109. DOI: 10.3103/S1061386212020100.Shkodich N.F., Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Sachkova N.V., Chassagnon R. Reactivity of mechanoactivated Ni-Al blends. Inter. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 2. P. 104—109. DOI: 10.3103/S1061386212020100.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.