Горение в системе Ni–Al с добавкой Cu (порошок или стержень) Эксперимент и математическая модель

Проведены экспериментальные исследования и с помощью разработанной математической модели выполнены теоретические расчеты волнового синтеза в системе Ni–Al–Cu. Получены приближенные аналитические формулы для оценки характеристик синтеза. С использованием данных экспериментов и аналитических соотношений методом обратной задачи найдены кинетические константы, определяющие динамику процесса. Показано, что при повышении относительной плотности реакционного образца в диапазоне значений относительной плотности от 0,4 до 0,6 скорость распространения фронта горения монотонно растет. Глубина проникновения расплава меди из центра образца в никельалюминиевую матрицу зависит от относительной плотности образца и диаметра медной проволоки: более высокие их значения приводят к увеличению области жидкофазной пропитки. Темп смачивания расплавом меди порошкового каркаса из никеля и алюминия лимитируется скоростью волны синтеза. На основе опытных данных и аналитических соотношений проведена оценка эффективных кинетических констант, характеризующих высокотемпературный синтез реакционной смеси Ni + Al в присутствии добавок меди. Вычислены тепловой эффект реакции образования интерметаллида NiAl и предэкспоненциальный множитель в уравнении химического превращения; установлена величина показателя степени в соотношении для теплопроводности смеси; найдена константа, определяющая процесс пропитки расплавом меди никель-алюминиевой матрицы. Макроскопический подход, используемый для анализа процесса синтеза интерметаллида NiAl, позволяет определить все искомые физико-химические характеристики и параметры модели. Математическая модель пригодна для прогностических оценок и анализа экспериментальных данных в макроскопическом приближении. Получены приближенные аналитические формулы для расчета характеристик синтеза интерметаллида NiAl. Они позволяют рассчитывать характеристики сквозного канала и могут быть применены для расчета изделий из NiAl.

1. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов: Введение в структурную макрокинетику. М.: Физматлит, 2012.

2. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: МИСиС, 2011

3. Ponomarev V.I., Kovalev I.D., Kovalev D.Yu., Konovalikhin S.V., Kochetov N.A. SHS in the Ni-Al system: A TRXRD study of product patterning. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 2. P. 101-105.

4. Boyarchenko O.D., Sytschev A.E., Vadchenko S.G., Kovalev I.D., Shchukin A.S., Vrel D. NiAl intermetallics dispersion-strengthened with silica, alumina, and mullite: Synthesis and characterization. Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. No. 2. P. 83-88.

5. Minseob K., Rostislav H., Jesse S., Choong-Shik Y. Thermochemical reactions of Al-based intermetallic composites to AlN. Combust. Flame. 2019. Vol. 200. P. 115-124.

6. Greenberg B.A., Ivanov M.A., Pushkin M.S., Inozemtsev A.V., Patselov A.M., Tankeyev A.P., Kuzmin S.V., Lysak V.I. Formation of intermetallic compounds during explosive welding. Metall. Mater. Trans. A. 2016. Vol. 47. No. 11. P. 5461-5473.

7. Vafai K. Handbook of porous media. 3-rd ed. N.Y.: Taylor and Francis Group, 2015.

8. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994.

9. Латухин Е.И., Амосов А.П., Борисов Д.В., Рябов А.М., Илларионов А.Ю. Взаимодействие пористой МАХ-фазы карбосилицида титана с расплавом никеля в условиях процесса СВС. Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки. 2017. No. 1 (53). С. 143-151.

10. Amosov A.P., Latukhin E.I., Ryabov A.M., Umerov E.R., Novikov V.A. Application of SHS process for fabrication of copper-titanium silicon carbide composite (Cu-Ti3SiC2). IOP Conf. Ser. 2018. 1115. 042003.

11. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. М.: Торус Пресс, 2007.

12. Касатский Н.Г., Филатов В.М., Найбороденко Ю.С. СВС в низкоэкзотермичных и высокоплотных алюминиевых системах. В сб.: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Под ред. Ю.М. Максимова. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1991. C. 63-65.

13. Аксельруд Г.А., Альтшуллер М.А. Введение в капиллярно-химическую технологию. М.: Химия, 1983. Aksel’rud G.A., Al’tshuller M.A. Introduction to capillary-chemical technology. Moscow: Khimiya, 1983 (In Russ.).

14. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991.

15. Смитлз К.Д. Металлы: Справочник. М.: Металлургия, 1980.

16. Doraiswamy L.K., Sharma M.M. Heterogeneous reactions: analysis, examples and reactor design. N.Y.: John Wiley, 1984.

17. Smolyakov V.K. Inert additive melting in a gasless combustion wave. Comb. Expl. Shock Wave. 2002. Vol. 38. No. 5. P. 559-565.

18. Смоляков В.К. Фазовые переходы в волне безгазового горения. Хим. физика. 2002. Т. 21. No. 11. С. 97-105.

19. Gasparyan A.G., Shteinberg A.S. Macrokinetics of reaction and thermal explosion in Ni and Al powder. Comb. Expl. Shock Wave. 1988. Vol. 24. No. 3. P. 324- 330.

20. Naiborodenko Yu.S., Itin V.I., Belozerov B.P., Ushakov V.P. Phases and reactive-diffusion kinetics for mixed Al-Ni powders. Russ. Phys. J. 1973. Vol. 16. No. 11. P. 1507- 1511.

21. Shilyaev M.I., Borzykh V.E., Dorokhov A.R. Laser ignition of nickel-aluminum powder systems. Comb. Expl. Shock Wave. 1994. Vol. 30. No. 2. P. 147-150.

22. Shilyaev M.I., Borzykh V.E., Dorokhov A.R. Determination of thermokinetic parameters from the inverse problem of an electrothermal explosion. Comb. Expl. Shock Wave. 1988. Vol. 28. No. 3. P. 258-262.