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-2021-4-20-29powder-630Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Термически сопряженные СВС-процессы в слоевой системе (Ni + Al)/(Co + Ti)/(Ni + Al): экспериментальное и теоретическое исследованиеThermally coupled SHS processes in (Ni + Al)/(Co + Ti)/(Ni + Al) layered system: experimental and theoretical studyГаббасовР. М.GabbasovR. M.

канд. техн. наук, науч. сотр. отдела структурной макрокинетики

634055, г. Томск, пр. Академический, 10/4

Cand. Sci. (Eng.), researcher of the Department of structural macrokinetics

634055, Tomsk, Academicheskii pr., 10/4

ramilus@yandex.ruКитлерВ. Д.KitlerV. D.

канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. отдела структурной макрокинетики

634055, г. Томск, пр. Академический, 10/4

Cand. Sci. (Phys.-Math.), researcher of the Department of structural macrokinetics

634055, Tomsk, Academicheskii pr., 10/4

vladimir_kitler1@mail.ruПрокофьевВ. Г.Prokof’evV. G.

вед. науч. сотр. отдела структурной макрокинетики; докт. физ.-мат. наук, проф. кафедры математической физики

634055, г. Томск, пр. Академический, 10/4

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36

Dr. Sci. (Phys.-Math.), leading researcher of the Department of structural macrokinetics; prof. of the Department of mathematical physics

634055, Tomsk, Academicheskii pr., 10/4

634050, Russia, Tomsk, Lenin pr., 36

pvg@ftf.tsu.ruШульпековА. М.Shul’pekovA. M.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. отдела структурной макрокинетики

634055, г. Томск, пр. Академический, 10/4

Cand. Sci. (Eng.), leading researcher of the Department of structural macrokinetics

634055, Tomsk, Academicheskii pr., 10/4

shulp@yandex.ruТомский научный центр (ТНЦ) СО РАНРоссияTomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS)Russian FederationТомский научный центр (ТНЦ) СО РАН; Томский государственный университет (ТГУ)РоссияTomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS); Tomsk State UniversityRussian Federation202109122021042029Copyright © НИТУ "МИСИС", 20212021НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/630

Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию механизмов горения реакционных смесей в режиме ≪химической печки≫ в трехслойном образце Ni–Al/Ti–Co/Ni–Al. Экспериментальные исследования проводили в реакторе в среде аргона при атмосферном давлении и температуре окружающей среды 298 К на прямоугольных образцах, спрессованных из порошковых смесей Ni–Al и Ti–Co в виде трехслойного пакета. Акцепторный слой (Ti–Co) находился в середине образца, а донорный (Ni–Al) – снаружи. В эксперименте варьировали толщину акцепторного слоя от 4,3 до 13 мм, а толщина донорного слоя (4,7 мм) оставалась постоянной. Установлено, что с увеличением толщины акцепторного слоя скорость распространения фронта волны горения и температура инициирования реакции снижаются, а максимальная температура во фронте остается постоянной, равной температуре плавления конечного продукта. Время прогрева акцепторного слоя до начала реагирования возрастает. При толщине акцепторного слоя меньше толщины донорного реагирование акцепторной смеси осуществляется в режиме теплового взрыва. Максимальная температура в этом случае выше температуры плавления конечного продукта. С увеличением толщины акцепторного слоя происходит смена режимов синтеза внутреннего слоя: стационарный – пульсирующий – срыв горения. Построена математическая модель высокотемпературного синтеза трехслойного образца в размерных переменных с учетом теплообмена с окружающей средой. В результате экспериментальных исследований и численных расчетов установлена критическая толщина внутреннего слоя 15 мм, при которой горение внутреннего слоя становится невозможным при фиксированных размерах донорных слоев. Критические условия распространения волны горения по акцепторному слою слабо зависят от источника внешнего нагрева. Экспериментальная методика и математическая модель горения слоевой системы могут быть применены для оценки критических условий синтеза металлокомпозитов во фронтальном режиме горения.

The paper focuses on the theoretical and experimental study of the mechanisms of reaction mixture combustion in the ≪chemical oven≫ mode in a three-layer Ni–Al/Ti–Co/Ni–Al sample. Experimental studies were carried out in a reactor in an argon atmosphere at atmospheric pressure and an ambient temperature of 298 K on rectangular samples pressed from Ni–Al and Ti–Co powder mixtures in the form of a three-layer package. The Ti–Co acceptor layer was in the middle of the sample, and the Ni–Al donor layer was outside. The acceptor layer thickness was varied from 4.3 to 13 mm, while the donor layer thickness (4.7 mm) remained constant. It was found that as the acceptor layer thickness increases, the combustion wave front propagation velocity and reaction initiation temperature decrease, and the maximum temperature in the front remains constant and equal to the melting point of the final product. The time of acceptor layer heating before the reaction increases. The acceptor mixture reaction proceeds in the thermal explosion mode when the thickness of the acceptor layer exceeds that of the donor one. Maximum temperature in this case is higher than the melting point of the final product. The inner layer synthesis modes change with an increase in the acceptor layer thickness: stationary – pulsating – extinction. The mathematical model of the three-layer sample high-temperature synthesis in dimensional variables is constructed taking into account heat transfer with the environment. As a result of experimental studies and numerical calculations, the critical thickness of the inner layer was found to be 15 mm, at which the inner layer combustion becomes impossible at fixed sizes of donor layers. Critical conditions for the combustion wave propagation along the acceptor layer are weakly dependent on the external heating source. The experimental technique and mathematical model of the layered system combustion can be used to assess the critical conditions for the metal composite synthesis in the frontal combustion mode.

СВСтемпература горенияхимическая печкадонорная смесьакцепторная смесьSHScombustion temperaturechemical ovendonor mixtureacceptor mixtureИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-03-00081The research was funded by the Russian Foundation for Basic Research as part of Scientific Project № 19-03-00081ReferencesКсандопуло Г.И., Байдельдинова А.Н. Горение в системе сопряженных слоев и высокотемпературный синтез материалов. Журн. прикл. химии. 2004. Т. 77. No. 3. С. 370—374.Ksandopulo G.I., Baidel’dinova A.N. Combustion in a system of conjugated layers and high-temperature synthesis of materials. Russ. J. Appl. Chem. 2004. Vol. 77. No. 3. P. 364—368.Cirakoglu M., Bhaduri S., Bhaduri S.B. Combustion synthesis processing of functionally graded materials in the Ti—B binary system. J. Alloys Compd. 2002. Vol. 347. P. 259—265.Cirakoglu M., Bhaduri S., Bhaduri S.B. Combustion synthesis processing of functionally graded materials in the Ti—B binary system. J. Alloys Compd. 2002. Vol. 347. P. 259—265.Chen S.P., Meng Q.S., Zhao J.F., Munir Z.A. Synthesis and characterization of TiB2—Ni—Ni3Al—CrNi alloy graded material by field-activated combustion. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 476. P. 889—893.Chen S.P., Meng Q.S., Zhao J.F., Munir Z.A. Synthesis and characterization of TiB2—Ni—Ni3Al—CrNi alloy graded material by field-activated combustion. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 476. P. 889—893.Sytschev A.E., Vrel D., Boyarchenko O.D., Khrenov D.S., Sachkova N.V., Kovalev I.D. SHS joining by thermal explosion in (Ni + Al)/Nb/(Ni + Al + Nb) sandwiches: Microstructure of transition zone. Int. J. SHS. 2017. Vol. 26. No. 1. P. 49—53.Sytschev A.E., Vrel D., Boyarchenko O.D., Khrenov D.S., Sachkova N.V., Kovalev I.D. SHS joining by thermal explosion in (Ni + Al)/Nb/(Ni + Al + Nb) sandwiches: Microstructure of transition zone. Int. J. SHS. 2017. Vol. 26. No. 1. P. 49—53.Linde A.V., Studenikin I.A., Kondakov A.A., Grachev V.V. Thermally coupled SHS processes in layered (Fe2O3 + + 2Al)/(Ti + Al)/(Fe2O3 + 2Al) structures: An experimental study. Comb. Flame. 2019. Vol. 208. P. 364—368.Linde A.V., Studenikin I.A., Kondakov A.A., Grachev V.V. Thermally coupled SHS processes in layered (Fe2O3 + + 2Al)/(Ti + Al)/(Fe2O3 + 2Al) structures: An experimental study. Comb. Flame. 2019. Vol. 208. P. 364—368.Левашов Е.А., Акулинин П.В., Сорокин Н.М., Свиридова Т.А., Хосоми С., Охьянаги М., Коизуми С. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алмазосодержащих функциональных градиентных материалов с керамической матрицей на основе TiB2—TiN и Ti5Si3—TiN. Физика металлов и металловедение. 2004. Т. 97. No. 1. С. 46—54.Levashov E.A., Akulinin P.V., Sorokin N.M., Sviridova T.A., Hosomi S., Oh’yanagi M., Koizumi S. Self-propagating high-temperature synthesis of diamond-containing functional gradient materials with a ceramic matrix based on TiB2—TiN and Ti5Si3—TiN. Fizika metallov i metallovedenie. 2004. Vol. 97. No. 1. P. 46—54 (In Russ.).Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Alymov M.I. Synthesis and characteristics of B4C—TiB2 composite. Adv. Mater. Technol. 2016. No. 4. P. 16—21.Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Alymov M.I. Synthesis and characteristics of B4C—TiB2 composite. Adv. Mater. Technol. 2016. No. 4. P. 16—21.Алымов М.И., Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. Новый подход к проведению термически сопряженных процессов на примере гранулированной смеси (Ni + Al)—(Ti + C). Докл. РАН. 2019. Т. 487. No. 1. С. 45—48.Alymov M.I., Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A., Lisina T.G. A new approach to conducting thermally coupled processes using the example of a granular mixture (Ni + + Al) — (Ti + C)]. Doklady RAN. 2019. Vol. 487. No. 1. P. 45—48 (In Russ.).Левашов Е.А., Ларихин Д.В., Штанский Д.В., Рогачев А.С., Григорян А.Э., Мур Дж.Дж. Cамораспространяющийся высокотемпературный синтез функционально-градиентных мишеней с керамическим рабочим слоем TiB2—TiN и Ti5Si3—TiN. Физика металлов и металловедение. 2002. Т. 94. No. 5. С. 56—66.Levashov E.A., Larikhin D.V., Shtanskii D.V., Rogachev A.S., Grigoryan A.E., Mur J.J. Self-propagating high-temperature synthesis of functional-gradient targets with a ceramic working layer TiB2—TiN and Ti5Si3—TiN. Fizika metallov i metallovedenie. 2002. Vol. 94. No. 5. P. 56—66 (In Russ.).Мержанов А.Г. Термически сопряженные процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Докл. РАН. 2010. Т. 434. No. 4. С. 489—492.Merzhanov A.G. Thermally coupled processes of selfpropagating high-temperature synthesis. Doklady RAN. 2010. Vol. 434. No. 4. P. 489—492 (In Russ.).Kharatyan S.L., Merzhanov A.G. Coupled SHS reactions as a useful tool for synthesis of materials: An overview. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 59—73.Kharatyan S.L., Merzhanov A.G. Coupled SHS reactions as a useful tool for synthesis of materials: An overview. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 59—73.Sytschev A.E., Vrel D., Boyarchenko O.D., Roshchupkin D.V., Sachkov N.V. Combustion synthesis in bi-layered (Ti— Al)/(Ni—Al) system. J. Mater. Process. Technol. 2017. Vol. 240. P. 60—67.Sytschev A.E., Vrel D., Boyarchenko O.D., Roshchupkin D.V., Sachkov N.V. Combustion synthesis in bi-layered (Ti— Al)/(Ni—Al) system. J. Mater. Process. Technol. 2017. Vol. 240. P. 60—67.Khina B.B., Formanek B. Modeling heterogeneous interaction during SHS in the Ni—Al system: A phaseformation-mechanism map. Int. J. SHS. 2007. Vol. 16. No. 2. P. 51—61.Khina B.B., Formanek B. Modeling heterogeneous interaction during SHS in the Ni—Al system: A phaseformation-mechanism map. Int. J. SHS. 2007. Vol. 16. No. 2. P. 51—61.Писклов А.В., Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. Безгазовое горение слоевого пакета в неадиабатических условиях. Известия вузов. Цветная металлургия. 2006. No. 5. C. 102—108.Pisklov A.V., Prokof’ev V.G., Smolyakov V.K. Gasless combustion of a layer stack under non-adiabatic conditions. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya (Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy). 2006. No. 5. P. 102—108 (In Russ.).Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. К теории процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в слоевых системах. Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48. No. 5. С. 160—167.Prokof’ev V.G., Smolyakov V.K. On the theory of self-propagating high-temperature synthesis in layered systems. Combust. Explos. Shock Waves. 2012. Vol. 48. No. 5. P. 636—641.Prokof’ev V.G., Smolyakov V.K. Gasless combustion in two-layer structures: a theoretical model. Int. J. SHS. 2013. Vol. 22. No. 1. P. 5—10.Prokof’ev V.G., Smolyakov V.K. Gasless combustion in two-layer structures: a theoretical model. Int. J. SHS. 2013. Vol. 22. No. 1. P. 5—10.Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. Безгазовое горение системы термически сопряженных слоев. Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52. No. 1. С. 70—75.Prokof’ev V.G., Smolyakov V.K. Gasless combustion of a system of thermally coupled layers. Combust. Explos. Shock Waves. 2016. Vol. 52. No. 1. P. 62—66.Miroshnichenko T.P., Yakupov E.O., Gubernov V.V., Kurdyumov V.N., Polezhaev A.A. Combustion wave in a two-layer solid fuel system. Appl. Mathem. Model. 2020. Vol. 77. No. 2. P. 1082—1094.Miroshnichenko T.P., Yakupov E.O., Gubernov V.V., Kurdyumov V.N., Polezhaev A.A. Combustion wave in a two-layer solid fuel system. Appl. Mathem. Model. 2020. Vol. 77. No. 2. P. 1082—1094.Gabbasov R.M., Kitler V.D., Prokof’ev V.G., Shulpekov A.M. Layered NiAl/Cu/NiAl composite by SHS in a mode of frontal combustion. Int. J. SHS. 2020. Vol. 29. No. 2. P. 104—107.Gabbasov R.M., Kitler V.D., Prokof’ev V.G., Shulpekov A.M. Layered NiAl/Cu/NiAl composite by SHS in a mode of frontal combustion. Int. J. SHS. 2020. Vol. 29. No. 2. P. 104—107.Итин В.И., Братчиков А.Д., Мержанов А.Г., Доронин В.Н. Связь параметров горения с диаграммой состояния в системах Ti—Со, Ti—Ni. Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18. No. 5. С. 46—50.Itin V.I., Bratchikov A.D., Merzhanov A.G., Doronin V.N. Relation between combustion parameters and phase diagram for the systems Ti—Co and Ti—Ni. Combust. Explos. Shock Waves. 1982. Vol. 18. No. 5. P. 536—539.Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Экспериментальная проверка дискретных моделей горения микрогетерогенных составов, образующих конденсированные продукты сгорания (обзор). Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51. No. 1. С. 66—76.Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Experimental verification of discrete models for combustion of microheterogeneous compositions forming condensed combustion products (Review). Combust. Explos. Shock Waves. 2015. Vol. 51. No. 1. P. 53—62.Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. Термокапиллярная конвекция в волне безгазового горения. Физика горения и взрыва. 2019. Т. 55. No. 1. С. 100—108.Prokof’ev V.G., Smolyakov V.K. Thermocapillary сonvection in a gasless combustion wave. Combust. Explos. Shock Waves. 2019. Vol. 55. No. 1. P. 89—96.Varma A., Rogachev A.S., Mukasyan A.S., Hwang S. Combustion synthesis of advanced materials: principles and applications. Adv. Chem. Eng. 1998. Vol. 24. P. 79—26.Varma A., Rogachev A.S., Mukasyan A.S., Hwang S. Combustion synthesis of advanced materials: principles and applications. Adv. Chem. Eng. 1998. Vol. 24. P. 79—26.Шиляев М.И., Борзых В.Э., Дорохов А.Р. К вопросу о лазерном зажигании порошковых систем никельалюминий. Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. No. 2. С. 14—18.Shiljaev M.I., Borzykh V.E., Dorokhov A.R. Laser ignition of nickel-aluminum powder systems. Combust. Explos. Shock Waves. 1994. Vol. 30. No. 2. P. 147—150.Rogachev A.S. Macrokinetics of gasless combustion: Old problems and new approaches. Int. J. SHS. 1997. Vol. 6. No. 2. P. 215—242.Rogachev A.S. Macrokinetics of gasless combustion: Old problems and new approaches. Int. J. SHS. 1997. Vol. 6. No. 2. P. 215—242.

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