CC BY
13
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВВЕДЕНИЯ СВС ПРОДУКТА
В РАСПЛАВ AL Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия (e-mail: amosov-ea@rambler.ru)
В данной статье проведено моделирование возможности введения частиц тугоплавкого соединения, образующегося в ходе СВС реакции, в состав расплава алюминия с целью получения композиционного материала.
Ключевые слова: СВС, расплав алюминия, композиционный материал
Любой композиционный материал, в частности, сплав на основе алюминия, армируется (упрочняется) различными наполнителями (обычно это малые частицы тугоплавких соединений), что приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.
Одним из таких способов упрочнения является жидкофазный способ синтеза частиц карбида титана методом СВС в расплаве алюминия, описанный в работах [1,2]. Высокие температуры, развивающиеся при СВС реакции, способствуют смачиванию частиц карбида алюминием, чего не происходит при низких температурах
После СВС синтеза за счет разности в плотности карбида титана и расплава Al частицы карбида будут стремиться осесть на дно и тигля. Поэтому следует определить, какое время после синтеза TiC расплав должен оставаться жидким, чтобы все образовавшиеся частицы упрочняющей фазы не вышли из расплава.
Рисунок 1 - Схема действия сил на частицу ТЮ в расплаве А1
Рассмотрим следующую модель оседания частицы ТЮ. Пусть после СВС реакции в расплаве алюминия образовалась округлая частица карбида титана микронного радиуса Я. За счет большей плотности частица будет постепенно оседать на дно тигля с расплавом алюминия (как это происходит, например, при анализе методом седиментации (оседания)).
Изобразим силы, действующие на частицу (рисунок 1). На частицу действует сила тяжести (направлена вниз), сила Архимеда и сила сопротивления движению частицы (направлены вверх).
За очень короткое время силы, направленные вверх и вниз, уравновесят друг друга, и скорость движения частицы будет постоянной.
Выразим силы, действующие на оседающую частицу СВС продукта.
V
Сила тяжести равна
^1=4/3 ртп gR3,
сила Архимеда равна
^2=4/3 Ржп gR3,
сила сопротивления Стокса равна
F3=6nцVR,
где рт-плотность твердой частицы, рж - плотность расплава, п - вязкость расплава, g - ускорение силы тяжести на Земле.
Оценим установившуюся скорость V, с которой будут двигаться частицы карбида титана разного размера при оседании, приравняв силы
.Fl=F2 +Fз, 4/3 ртп gR3 =4/3 ржп gR3 + 6пп VR.
Тогда можно записать, что
V = Ш2 ,
где К - коэффициент, зависящий от вязкости и разности плотностей частицы СВС продукта и расплава.
Полагая для частицы карбида титана в расплаве алюминия при температурах порядка 700.. .800 0С
рт= 4930 кг/м3, Рж=2400 кг/м3, П =10 -3 Па с, g = 10 м/с2,
получаем следующую оценку для скорости установившегося движения малой частицы карбида титана в расплаве алюминия
V = 5 000 000 R2.
Оценим значения скоростей оседания частиц карбида титана в расплаве в случаях разного радиуса R.
Если R=100 мкм, то скорость V оседания частицы ТЮ в жидком А1 примерно равна
У= 5 см/с,
если R=10 мкм, то скорость оседания
V= 0.5 мм/с,
если R=1 мкм, то скорость оседания
У= 5 мкм/с,
а если R=0,1 мкм (или 100 нм), то скорость оседания
50 нм/с.
Частицы размером менее 100 нанометров практически не оседают в расплаве из-за наличия диффузионных потоков в жидкости.
Таким образом, расчеты показывают, что частицы радиуса R=100 мкм должны очень быстро оседать на дно тигля с расплавом алюминия. Время оседания более мелких частиц определяется временем существования расплава А1 с образовавшимися частицами СВС продукта.
Пусть, например, расплав выдерживается в жидком состоянии 15 минут (примерно 1000 секунд). Тогда несложно оценить £ - смещение частиц ТЮ за время выдержки расплава.
Если R=10 мкм, то смещение частиц карбида титана £ примерно равно
£ = 0,5 м,
если R=1 мкм, то смещение
£ = 5 мм,
а если R=0,1 мкм, то смещение
£ = 50 мкм = 0.05 мм.
Следовательно, частицы карбида титана, имеющие размер порядка сотен нанометров, не успеют заметно сместиться в жидкости за время существования расплава, и можно ожидать, что именно эти частицы и будут армирующими элементами затвердевшего композиционного материала.
Оценим, смогут ли образовавшиеся в ходе СВС реакции нано частицы карбида титана укрупниться за время существования жидкого состояния алюминия. Воспользуемся формулой Эйнштейна для оценкти коэффициента диффузии малых частиц В [3]:
В = (кГ)/(6лцК),
где Т - абсолютная температура, к - постоянная Больцмана.
Подставляя численные значения параметров изучаемого процесса, получим следующую оценку
В = 10 -18^.
Следовательно, для частиц ТЮ размера R=1 мкм
В = 10 -12 м2/с,
а для частиц размера R=0,1 мкм (или 100 нм)
В = 10 -11 м2/с.
Оценим смещение Х частиц карбида титана за счет диффузии за время г существования расплава А1 как
х2 = Вг.
Если размер частицы карбида титана R=1 мкм, то её диффузионное смещение Х
Х = 30 мкм = 0.03 мм,
а если размер R=0.1 мкм =100 нм, то диффузионное смещение Х
Х = 100 мкм = 0.1 мм.
Таким образом, наши расчеты показывают, что если расстояние между образовавшимися частицами карбида титана размером порядка 100 нанометров превышает примерно 0.1 миллиметра, то за время существования расплава (порядка 1000 секунд) эти частицы не успеют слипнуться и образовать более крупные упрочняющие частицы ТЮ.
Итак, при соблюдении указанных выше условий, вполне возможно создать алюминиевый сплав, дисперсно-упрочненный частицами карбида титана с характерным размером порядка 100 нанометров, образующимися в ходе СВС реакции в расплаве А1.
Оценим, насколько наши расчеты согласуются с опытными данными. Например, в работе [1] авторами было установлено, что в структуре затвердевшего расплава присутствуют частицы карбида титана с размером частиц не более R=3 мкм. Скорость оседания V самых крупных частиц в данном случае составляет
V = 5 000 000 R2 = 50 мкм/с.
Глубина расплава алюминия составляла примерно 5 сантиметров или 50000 мкм, следовательно, расчетное время оседания t частиц размером R=3 мкм было равно
tp = 1000 с -16 мин.
На самом деле, расплав находился в жидком состоянии порядка 10 минут, следовательно, наши расчеты качественно согласуются с экспериментальными данными.
Проведенные выше рассуждения и численные оценки позволяют сделать следующие выводы о возможности введения частиц карбида титана (играющих роль упрочняющей фазы):
1.Если при СВС реакции в расплаве алюминия образуются микро и нано частицы продукта реакции (например, карбида титана), то некоторая выдержка частиц продукта в расплаве приводит к тому, что микро частицы карбида осядут на дно тигля с расплавом, а нано частицы останутся в расплаве, что благоприятно скажется на свойствах образующегося композиционного материала.
2. Длительная выдержка частиц СВС продукта в расплаве приводит к их укрупнению за счет диффузионного смещения нано частиц, что ухудшит свойства образующегося композиционного материала.
Таким образом, после протекания СВС реакции можно рекомендовать сделать некоторую небольшую выдержку расплава с образовавшимися частицами, чтобы в расплаве остались наиболее мелкие частицы СВС продукта (но не произошло их укрупнение).
Список литературы
1. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Само распространяющийся высокотемпера-турный синтез алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 2008.
2. Луц А.Р. и др. СВС высокодисперсной фазы карбида титана из смесей порошков в расплаве алюминия // ПМ и ФП. 2013. №3. С.28-35.
3. Воробьев А.Х. Диффузионные задачи в химической кинетике. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003.
4. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСИС, 2002.
5. Елесина В.В. и др. Седиментационный анализ суспензий и эмульсий. Бийск: Ал-тГТУ, 20014.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: amosov-ea@ramblerl.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
SIMULATION OF THE SHS PRODUCT INTRODUCION IN THE MELT OF ALUMIMIUM
Abstract. This article describes a simulation ofpossibility of refractory particles introduction, formed during the SHS reaction, in the melt of aluminum with the aim of obtaining composite material.
Keywords: SHS, melt of aluminum, composite material
УДК 621.762.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ И РАЗМЕРОВ ПОРОШКА НИТРИДА КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННОГО ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС
Белова Галина Сергеевна, студент (e-mail: galya.belova.94@mail.ru) Титова Юлия Владимировна, к.т.н., доцент кафедры «МПМН» Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия (e-mail: titova600@mail.ru)
В данной статье рассмотрен процесс получения нитрида кремния по азидной технологии СВС, исследована структура конечного продукта после операции промывки. Показано, что применение в процессе горения азида натрия и комплексной галоидной соли - гексафторсиликата аммония для синтеза нитрида кремния позволяет получить целевой продукт - Si3N4 в наноструктурированном виде. Микроструктура синтезированного нитрида кремния представляет собой нитевидные кристаллы.
Ключевые слова: нитрид кремния, структурный анализ, нановолокна, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Технология СВС относится к порошковым технологиям, но она принципиально отличается от технологии порошковой металлургии тем, что для осуществления синтеза и (или) спекания в первом случае исходные порошки сжигают, а не нагревают в печи. Процесс СВС идет за счет собственного тепловыделения горения в порошковой смеси, без подвода энергии извне. При решении задач синтеза основное внимание уделяется нахождению условий, обеспечивающих полноту реакции и получение однофазных продуктов. Исходная реакционная среда для проведения процесса СВС представляет собой смесь порошков с определенным фазовым составом и структурой, которые полностью разрушаются в ходе химической реакции. В результате реакции образуются продукты, фазовый состав и структура которых сильно отличаются от исходных [1].
Для получения порошка нитрида кремния, со структурой представляющей собой нитевидные кристаллы, важными параметрами являются:
- содержание окислителя: температура горения окислителя - азида натрия с гексафторсиликатом аммония намного ниже температуры горения нитрида кремния. Поэтому, используя определенное количество окислителя можно снизить температуру горения смеси и связать натрий, образующийся в результате разложения азида с галоген-ионом, с образованием
