Термически сопряженные СВС-процессы в слоевой системе (Ni + Al)/(Co + Ti)/(Ni + Al): экспериментальное и теоретическое исследование

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.

1. Ксандопуло 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Мержанов А.Г. Термически сопряженные процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Докл. РАН. 2010. Т. 434. No. 4. С. 489—492.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. Безгазовое горение системы термически сопряженных слоев. Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52. No. 1. С. 70—75.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. Термокапиллярная конвекция в волне безгазового горения. Физика горения и взрыва. 2019. Т. 55. No. 1. С. 100—108.

23. 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.

24. 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.

25. Rogachev A.S. Macrokinetics of gasless combustion: Old problems and new approaches. Int. J. SHS. 1997. Vol. 6. No. 2. P. 215—242.