Новые направления развития СВС-технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые направления развития СВС-технологий

А.Д. Коноваленко

Основными направлениями синтеза и модификации материалов с использованием энергии горения и взрыва являются: ударно волновой синтез, детонационный и самораспространяющийся высокотемпературный.

Ударно-волновой синтез заключается в использовании воздействия энергии взрыва на реакционную смесь или модифицируемый материал через какую-либо преграду. энергия взрыв фабрикат бризантный

Детонационный синтез связан с использованием энергии взрыва при непосредственном контакте детонирующего взрывчатого вещества с реакционной смесью или модифицируемым материалом.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (в дальнейшем СВС) заключается в сгорании исходных компонентов и их соединении в однородный материал путем экзотермической реакции. Особенности динамического и температурного воздействия связаны как с абсолютной величиной действующих факторов (давление и температура) так и со скоростью изменения этих факторов и градиентами, величина которых также чрезвычайно высока, что определяет особенности изменения физико-механических свойств обрабатываемых материалов.

При слишком интенсивной ударной волне, возникает сопуствующий ударному сжатию необратимый разогрев вещества, который может привести к тому, что раздробленное во фронте ударной волны вещество затем спекается в более или менее прочные конгломераты. Кроме того, при высокой степени измельчения возможно самовоспламенение порошков и начало СВС-процесса.

При ударном сжатии смеси веществ, одновременная физико-химическая активизация облегчает процессы их последующего химического взаимодействия. Кроме того, при ударно-волновом синтезе, обеспечивается быстрый отвод тепла от продуктов на стадии после прохождения ударных волн. Это способствует образованию метастабильных фаз, т.е. при достаточно высоких динамических давлениях и температурах вероятно образование фаз высокого давления, таких как алмаз или алмазоподобные модификации нитрида бора. Создание таких фаз и организация их получения требует ухищрений для отвода избыточного тепла.

В настоящее время разработаны разнообразные способы синтеза и модификации материалов с использованием энергии горения и взрыва:

синтез сверхтвердых материалов, тугоплавких веществ;

сплавление веществ, резко различающихся по своим температурам кипения;

ударно-волновая активизация порошков для их последующего спекания или самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;

детонационное дробление особо прочных порошков, самораспространяю-щийся высокотемпературный синтез, взрывное прессование веществ и получение композиционных материалов;

ударно-волновая активизация бедных руд, облегчающая их последующее вскрытие;

получение твердых растворов с необычно широкими областями гомогенности, импульсное окисление органических и неорганических веществ.

получение алмазов при сочетании горячей ковки серого чугуна с последующим взрывным нагружением и термоциклированием [1].

Процессы получения деталей и полуфабрикатов с использованием энергии бризантных взрывчатых веществ широко и эффективно используются в металлообработке [2, 3, 4]. Возможности же процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза до конца не использованы и не выявлены многие сферы применения технологии.

В настоящее время СВС используют для синтеза керамических и металлических порошков, одновременного синтеза и уплотнения керамики, нанесения керамических покрытий, соединения материалов, выращивания монокристаллов и т.д. СВС-материалы и изделия получают; горячей экструзией, холодным волочением, газостатическим прессованием вакуумным обжигом, тепловым взрывом, центробежно-термитным процессом, реакционным горячим прессованием.

Таким образом разновидностями СВС-технологии являются технология порошков, СВС-спекание, СВС-металлургия, СВС-сварка, технология газотранспортных СВС-покрытий.

Освоен также метод теплового самовоспламенения, заключающийся в совмещении химических транспортных реакций с процессом теплового самовоспламенения порошковых смесей, который используется для упрочнения материалов и нанесения защитных покрытий [5] .

В области разработки технологий получения изделий и создания технологического оборудования рассматриваются следующие направления.

Совмещение процесса с термоупругой штамповкой, или иначе называемым термическим прессованием. Осуществление процесса получения деталей возможно следующим образом. В контейнер вводят оправку, на которой имеется рельеф. Между контейнером и оправкой помещают порошок необходимого состава. Осуществляют поджиг. В процессе горения оправка нагревается, при этом тепловое расширение оправки вызывает перемещение ее наружной поверхности на определенную величину, необходимую для заполнения рельефа еще неостывшими продуктами горения. Таким образом возможно создание усилия в сотни тысяч тонн.

Сочетание с процессом торцевой прокатки и сферодвижной штамповки. В матрицу загружают смесь из порошков, осуществляют воспламенение в направлении перемещающегося очага давления, создаваемого перекатывающимся пуансоном. Скорости горения смеси и перемещения очага деформации согласовывают. В результате происходит формообразование изделия из прореагировавшего продукта.

Получение изделий выжиманием. Аналогия с методом литья выживанием. В металлоприемник установки засыпают порошковую смесь. Производят воспламенение смеси. Скорость сближения матриц согласуют либо со скоростью горения смеси, либо со скоростью кристаллизации. В последнем случае согласование производят при протекании экзотермической реакции окисления и необходимости восстановления чистого металла.

Большие возможности открывает совмещение процессов СВС с импульсной металлообработкой (магнитно-импульсной, взрывной, электрогидравлической и газодетонационной).

СВС-спекание можно осуществить и используя реакцию ударно-волнового синтеза. Тепло, выделяющееся при ударе, инициирует экзотермическую самоподдерживающуюся реакцию между элементами порошковой смеси. Возможности для выбора методов ударно-волнового воздействия для совмещения с СВС-процессами достаточно разноообразны:

а) магнитно-импульсное прессование порошковых материалов через промежуточные среды;

б) воздействие на порошковые материалы импульсом давления возникают при взрыве газовых смесей;

в) высокоскоростные пневматические машины;

г) импульсно-вакуумные установки;

д) ударом твердого тела с пороховым и газовым приводом;

е) пневмогидравлические машины высокоскоростного (ударного) формообразования сыпучих материалов;

ж) взрывное прессование;

з) криогенные технологии прессования.

Среди этих методов наибольший интерес представляет собой магнито импульсное, импульсно-вакуумное и сжиженными газами прессование. Магнитно-импульсная обработка помимо процесса прессования, воздействует на структуру материала, производит встряхивание и модификацию сыпучих материалов.

Криогенную обработку рационально совместить с “центробежно-термитным процессом” путем впрыскивания доз сжиженных газов во вращающийся контейнер это приведет к дополнительному поддавливанию настывшего полуфабриката и фиксации промежуточных структур.

При осуществлении процесса с использованием импульсно-вакуумных установок путем перекоммутации вакуумконтейнера с компонентами перед включением в работу импульсно-вакуумного модуля.

Воспламенение высокоэкзотермической смеси металлических и керамических порошков может происходить при воздействии высокочастотных электромагнитных полей. Как правило, исходные смеси не поглащают электромагнитных полей и перед инициированием горения имеют температуру окружающей среды. Конечный же продукт горения интенсивно поглащает электромагнитное поле и может быть до температур порядка 2000оС и выше [6]. При наложении электромагнитных полей в процессе горения источник электромагнитного поля движется за фронтом горения. Это приводит к появлению дополнительного теплового источника электромагнитной природы. Учитывая, что основная мощность электромагнитного источника сосредоточена в пределах скип-слоя, возможно получение изделий переменной прочности от центра до периферии.

Совмещение СВС-процесса с криогенными методами обработки возможна фиксация промежуточных продуктов и получение новых метастабильных структур и состояний вещества, обладающих особыми свойствами.

Энергию взрыва конденсированных взрывчатых веществ возможно использовать: для модификации порошковых смесей; получения изделий путем взрывного прессования; для воспламенения компонент. В настоящее время нами разрабатываются и проходят испытания процессы совместной модификации и воспламенения порошковых смесей взрывом. Взрывчатое вещество располагают таким образом относительно контейнера, чтобы по мере распространения детонации в начальной стадии происходила модификация исходного материала, а в последующей, - дополнительный заряд повышенной мощности доводил температуру в зоне взрыва до температуры воспламенения модифицированного порошка.

Апробируются схемы расположения зарядов взрывчатого вещества по периметру и торцам контейнера, а также встречного метания порошков зарядами различной формы, в том числе и кумулятивными.

Таким образом возможные варианты сочетания СВС-процесса следующие:

со сферодвижной штамповкой и торцевой прокаткой в СВС-спекание;

с термоупругой штамповкой в СВС-прессовании;

с термоупругой штамповкой в СВС-прессовании;

с криогенными методами в СВС-металлургии;

обработкой электромагнитными полями (токи высокой частоты, магнитно импульсная);

ударно волновой (ударом твердого тела);

взрывной, лазерной, электрогидравлической и т.д.

В перспективе предусматривается совмещение СВС-процесса с процессами сверхбыстрого охлаждения, а также получение зернистых материалов у которых абразивные твердые частицы закрепляют соответствующей связной.

Литература

1. Соболев В.В., Таран Ю.Н., Губенко С.И. Синтез алмаза в чугуне. Материаловедение и термическая обработка./1993, №1, с.3-6.

2. Обработка металлов взрывом/ А.В.Крунин, В.Я.Соловьев, Г.С.Попов, М.Р.Крьстев - М.: Металлургия, 1991 - 496 с.

3. Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические методы обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1975, 280 с.

4. Сварка взрывом. Ю.А.Конон, Л.Б.Первухин, А.Д.Чудновский. Под ред. В.М.Кудинова - М.: Машиностроение, 1987.-216 с.

5. Коган Я.Д., Когтогоров Е.П.,Струве Н.Э., Инякин А.А. Поверхностное упрочнение титановых сплавов в режиме теплового самовоспламенения. Материаловедение и термическая обработка / 1992. №6 с. 15-16.

6. Трофимов А.И., Юхвид В.И. Эффект влияния электромагнитного поля на горение системы Ті+С./Физика горения и взрыва.-1993.- №1. с.71-73.

Размещено на Allbest.ru