Введение
Концепция, направленного получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВC) материалов [1,2] на основе интерметаллических соединений [3,4], по структурно-механическим свойствам не уступающим промышленным аналогам, является актуальной для современного производства. Возможность получения готовых изделий и интерметаллидных покрытий одним из самых простых и прогрессивных методов СВ-синтеза [5], делают материалы системы Ni-Al привлекательным объектом исследований [6,7].
Методы исследования
Физические принципы диагностики температуры и скорости в дисперснофазных системах изложены в работах [8-14]. Программно-аппаратный комплекс визуализации тепловых полей волны горения СВС был реализован с помощью телевизионной измерительной системы наносекундного разрешения [15-18], цифровой канал обработки сигнала которой включал в себя коррекцию шумов фотоприемника [19,20] и калибровку яркости по вольфрамовому эталону ТРУ-1100 [21-23]. Для определения температуры волны горения СВС применялись методы яркостной [24-26] и спектрально-яркостной пирометрии [27-29], основное отличие которой состоит в том, что за счет применения встроенной самокалибровки [30-32] она становится нечувствительной к изменению излучательной способности нагретых частиц порошка в ходе реакции СВС [33-35]. Скорость волны горения определялась время-пролетным методом [36-38] и методами тепловизионной хроноскопии наносекундного разрешения c помощью стрик-камеры «ВидеоСпринт -Nano Gate» [20, 39-42]. В нашем случае было принято решение измерять среднюю скорость по каждой линии хроноскопирования, т.е. по усредненному наклону хронограммы [43,44].
Проведение и результаты эксперимента
В работе рассматривается влияние исходной характеристики шихты на процесс СВ-синтеза и структуру полученных образцов Эксперименты проводили с шихтой, полученной из смеси алюминия массовой доли 31,5% и никеля 68,5% при атмосферном давлении в кварцевой трубке диаметром 16 мм. Для спекания были взяты порошки никеля марки ПНК-УТ1 дисперсностью от 2 до 15 мкм и алюминия марки ПА-4 со средним размером 50 мкм. В экспериментах менялось уплотнение порошковой смеси с кажущейся плотностью от 2 до 2,6 г/см3 с шагом 0,1 г/см3. Инициализация реакции СВ-синтеза осуществлялась путем локального нагревания верхней части поверхности насыпки электрической спиралью. В результате проведения экспериментов было синтезировано 14 образцов спеков (по 2 образца для каждого набора начальных условий).
Для исследования микроструктуры фронта горения СВС и измерения теплофизических параметров был использован диагностический комплекс, показанный на рисунке 1, позволяющий определять адиабатическую температуру и скорость фронта горения. Регистрация СВС осуществлялась с помощью оптического канала бинокулярного микроскопа МБС-10 на частоте 400 кадров в секунду и экспозиции 150 мкс. Обработка тепловизионных данных велась на компьютере с процессором Intel Core I7-3930K и объемом ОЗУ 64 GB. При размере одного видео файла около 2 GB время определения макропараметров процесса СВС: скорости фронта реакции и температуры горения, – не превышало 20 секунд, а объем выборок был не ниже 1000 отсчетов [20].
Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 – камера “ВидеоСпринт”; 2 – светофильтр;
3 – микроскоп МБС-10; 4 – образец шихты; 5 – вертикальная печь [4]
Установлена зависимость изменения скорости фронта горения и адиабатической температуры от степени уплотнения шихты. Зависимость положения фронта реакции от времени позволила получить выборку средних температур в волне горения на разных участках образцов (рис. 2. б). Увеличение средних значений температур связано с изменением кажущейся плотности состава шихты, а также отличающимися условиями выделения и распределения тепла на участках разных образцов.
При изменении плотности насыпки от 2 до 2,6 г/см3 скорость фронта волны СВС в системе Ni-Al возрастает (рис. 2. а) пропорционально увеличению адиабатической температуры.
Рис. 2. Теплофизические характеристики процесса СВ-синтеза в системе Ni-Al:
а – скорости фронта горения реакции; б – температуры горения реакции
Следует отметить, что температура и скорость волны горения СВС по разному чувствительны к степени уплотнения шихты. Так, например из рисунка 2а и 2б видно, что линейная зависимость скорости резко изменяется в интервале плотности шихты от 2,3 до 2,4 г/см3, а у температуры этот интервал лежит в пределах от 2,5 до 2,6 г/см3. Следовательно имеется два различающихся критических значения плотности порошка, соответствующих изменению механизмов преноса тепла и диффузии вещества в волне горения.
Выводы.
- Обнаружена зависимость скорости и температуры волны горения СВС от степени уплотнения исходных продуктов синтеза, которая говорит о их уменьшении с падением плотности шихты.
- Следует прогнозировать, что существует нижний предел плотности шихты, например в условиях микрогравитации или разбавления инертом [45,46], когда горение станет неустойчивым и синтез прекратится при некотором критическом значении деформации и уплотнении стуктуры порошка [47-54].
- Полученные результаты позволяют утверждать об общности обнаруженного ранее явления «температурного гистерезиса» скорости горения [55,56] не только для СВ-синтеза оксидных бронз с аномальным фототермическим эффектом, но и для синтеза интерметаллидов в системе Ni-Al.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.
Библиографический список
- V.V. Evstigneev, P.J. Guljaev, I.V. Miljukova, V. D. Goncharov, V.A.Vagner and A.A. Gladkih Development Prospects of SHS Technologies in Altai State Technical University // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2006. Т. 15. № 1. С. 99-104.
- Gulyaev P.Yu., Gulyaev I.P., Milyukova I.V., Cui H.Z. In-situ selfpropagating–hightemperature–synthesis controlled by plasma // Вестник Югорского государственного университета. 2012. № 2 (25). С. 28-33.
- Gulyaev P.Yu. Plasma spraying of protective coatings from ferromagnetic SHS-materials//Research Journal of International Studies. 2013. № 12-1 (19). P. 74 -77.
- Гуляев П.Ю. Плазменное напыление защитных покрытий из ферромагнитных СВС-материалов//Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 12-1 (19). С. 74-77.
- Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes/P. Gulyaev, H. Cui, I. Gulyaev, I. Milyukova//High Temperatures – High Pressures. 2015. Т. 44. № 2. С. 83-92.
- Оценка времени фазообразования в системе горения NiAl методом визуализации тепловых полей/ М.П. Бороненко, А.Е. Серегин, П.Ю. Гуляев, И.В. Милюкова //Научная визуализация. 2015. Т. 7. № 5. С. 102-108.
- Phase formation time evaluation in NiAl combustion systems by the thermal fields visualization method / M.P. Boronenko, A.E. Seregin, P.Yu. Gulyaev, I.V. Milyukova // Scientific Visualization. 2015. Vol. 7. № 5. pp. 102-108.
- Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11. № 5-2. С. 382-385.
- Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Автоматизация контроля теплофизических параметров в технологиях детонационного напыления//Системы управления и информационные технологии. 2009. Т. 35. № 1.2. С. 230-233.
- Методы оптической диагностики частиц в высокотемпературных потоках/П. Ю. Гуляев, А.В. Долматов, В.А. Попов и др.//Ползуновский вестник. -2012. -№ 2/1. -С. 4-7.
- Гуляев Ю.П., Гуляев П.Ю. Неразрушающий контроль и математическое моделирование деформаций оснований фундаментов по топографо-геодезическим измерениям// Современная техника и технологии. 2015. № 11 (51). С. 93-96.
- Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы/М.П. Бороненко,И.П. Гуляев, П.Ю. Гуляев и др.//Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-2. С. 70-73.
- Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления/М.П. Бороненко, И.П. Гуляев, П.Ю. Гуляев, А.И. Демьянов, А.В. Долматов, В.И. Иордан, В.Н. Коржик, И.В. Кривцун, М.Ю. Харламов//Фундаментальные исследования. 2014. № 11-10. С. 2135 -2140.
- Solonenko O. P., Gulyaev I. P., Smirnov A. V. Plasma processing and depositions of powdered metal oxides consisting of hollow spherical particles//Technical Physics Letters. -2008. -Т. 34. -№ 12. -P. 1050-1052.
- Бороненко М.П., Гуляев П.Ю. Телевизионная измерительная система наносекундного разрешения//Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2014.№ 1 (31). С. 60-64.
- Повышение помехоустойчивости оптико-электронной системы на базе видеокамер с электронно-оптическим преобразователем / Бороненко М.П., Гуляев П.Ю., Серегин А.Е., Бебия А.Г.// Фундаментальные исследования. 2015. № 2-11. С. 2323-2327.
- Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Долматов А.В. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений//Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -1997. № 2. С. 114-115.
- Гуляев Ю.П., Гуляев П.Ю. Неразрушающий контроль и математическое моделирование деформаций оснований фундаментов по топографо-геодезическим измерениям// Современная техника и технологии. 2015. № 11 (51). С. 93-96.
- Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an optical converter / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin and K. G. Poluhina // Journal of Physics: Conference Series.- 2015.- Vol. 643.- № 1 .- 012028. DOI:10.1088/1742-6596/643/1/012028
- Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin and А. G Bebiya // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.- 2015.- Vol. 93.- № 1.- 012021. DOI:10.1088/1757-899X/93/1/012021
- Бороненко М.П., Гуляев И.П., Серегин А.Е. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе//Вестник Югорского государственного университета. -2012. -№ 2. -С. 7-15.
- Плазменная обработка и напыление порошков оксидов металлов, состоящих из полых сфер/О. П. Солоненко, И. П. Гуляев, А. В. Смирнов//Письма в ЖТФ, 2008. -Том 34. -Вып. 24. -С. 22-27.
- Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Долматов А.В. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений//Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -1997. № 2. С. 114-115.
- Garkol D.A., Gulyaev P.Y., Evstigneev V.V., Mukhachev A.B. A new high-speed brightness pyrometry method to investigate self-propagating high-temperature synthesis//Combustion, Explosion, and Shock Waves.-1994.-Volume 30, Issue 1, pp 72-76, DOI: 10.1007/BF00787888
- Бересток Г.М., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Милюкова И.В. Система оптического контроля тепловых параметров процесса СВ-синтеза//Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2-2 (46). С. 71-81.
- Гарколь Д.А., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Мухачев А.Б. Новая методика высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования процессов СВС//Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. № 1. С. 72-77.
- Gulyaev I.P., Ermakov K.A., Gulyaev P.Yu. New High-Speed Combination of Spectroscopic And Brightness Pyrometry For Studying Particles Temperature Distribution In Plasma Jets//European researcher. 2014. № 3-2 (71). С. 564-570.
- Гуляев И.П., Ермаков К.А., Долматов А.В., Гуляев П.Ю. Оценка точности измерения температур спектральным пирометром по результатам виртуального эксперимента//Ползуновский альманах. 2014. № 1. С. 20-25.
- Ващенко С.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Кузьмин В.И. Экспресс-контроль движения и нагрева частиц при газотермическом напылении//В сборнике: Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта. Теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 2015. С. 61-68.
- Anomalous high-velocity outbursts ejected from the surface of tungsten microdroplets in a flow of argon-air plasma / I.P. Gulyaev, A.V. Dolmatov, P.Yu. Gulyaev, V.I. Iordan, M.Yu. Kharlamov, I.V. Krivtsun // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.- 2016.- Volume 110.- conference 1.- 012057 doi:10.1088/1757-899X/110/1/012057
- Control of dispersed-phase temperature in plasma flows by the spectral-brightness pyrometry method / A.V. Dolmatov, I.P. Gulyaev, P.Yu. Gulyaev, V.I. Iordan // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.-2016.- Volume 110.- conference 1.- 012058. doi:10.1088/1757-899X/110/1/012058
- Arc-Plasma Wire Spraying: An Optical Study of Process Phenomenology/ I. P. Gulyaev , A. V. Dolmatov, M. Yu. Kharlamov, P. Yu. Gulyaev, V. I. Jordan, I. V. Krivtsun, V. M. Korzhyk, O. I. Demyanov// Journal of Thermal Spray Technology.-2015.- Volume 24, Issue 11.- pp. 1-8. DOI:10.1007/s11666-015-0356-6
- Experimental investigation of process of plasma-arc wire spraying / I.P. Gulyaev, P.Yu. Gulyaev, V.N. Korzhik, A.V. Dolmatov, V.I. Iordan, I.V. Krivtsun, M.Yu. Kharlamovand A.I. Demianov // The Paton Welding Journal. – 2015. – № 3-4. – pp. 36-41.
- Экспериментальное исследование процесса плазменно-дугового проволочного напыления / Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Коржик В.Н., Долматов А.В., Иордан В.И., Кривцун И.В., Харламов М.Ю., Демьянов А.И. // Автоматическая сварка.- 2015.- № 3-4.- С. 37-43.
- Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51. № 9-3. С. 69-76.
- Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок/А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский, П.Ю. Гуляев, А.В. Еськов//Двигателестроение. 1999. № 1. С. 29-31.
- Бороненко М.П., Гуляев П.Ю., Трифонов А.Л. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка // Вестник Югорского государственного университета. 2012. № 2 (25). С. 16-20.
- Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51. № 9-3. С. 79-87.
- Калачев А.В., Гуляев П.Ю., Иордан В.И. Исследование тепловой структуры волны горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Известия Алтайского государственного университета. 2005. № 1 (45). С. 104-109.
- Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Калачёв А.В. Теоретические модели и экспериментальные методы исследования механизма формирования тепловой структуры в волне горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Ползуновский вестник. 2005. № 1. С. 314-321.
- Иордан В.И., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В. Комплекс методов цифровой обработки изображений для исследования эффектов локальной неустойчивости и нестационарности волны горения процесса СВС // Ползуновский вестник. 2005. № 4-1. С. 152-170.
- Гуляев П.Ю., Калачев А.В. Пирометрия процесса СВС на основе МДП-фотодиодных матриц в режиме накопления заряда // Ползуновский вестник. 2005. № 4-1. С. 171-174.
- SHT-Synthesis and application of biofunctional nanoparticals used high photo-thermal effect for laser heating of biotissues/P.Yu. Gulyaev, M.K. Kotvanova, A.I. Omelchenko, E.N. Sobol// В книге: The 23th Annual International Conference on Advanced Laser Technologies. ALT’15 Book of Abstracts. 2015. С. 46.
- Kotvanova M., Blinova N., Gulyaev P., Dolmatov A., Pavlova S. Evoluation of combustion temperature and combustion speed of process of SH-Synthesis of titanium oxide bronze // В сборнике: International symposium on self-propagating high temperature synthesis SHS XIII. 2015. С. 160-161.
- Гуляев П.Ю., Милюкова И.В. Кластерный анализ и оптимизация параметров механоактивации в процессах СВ-синтеза//Информационные системы и технологии. 2009. № 3 (53). С. 93-99.
- Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Милюкова И.В., Трифонов А.Л., Ширяев С.А. Моделирование фрактальных структур упаковок порошковых СВС-материалов//Ползуновский альманах. 2007. № 3. С. 39-41.
- Гуляев Ю. П., Павлов А. П. Геодезические исследования техногенной геодинамики на строящейся Богучансткой ГЭС//Гидротехническое строительство. -1993. -№ 9. -С. 8-11.
- Гуляев Ю.П., Хорошилов В.С., Лисицкий Д.В. О корректном подходе к математическому моделированию деформационных процессов инженерных сооружений по геодезическим данным//Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2014. № S4. С. 22-29.
- Гуляев Ю.П. Алгоритм оценивания параметров динамической модели и прогнозирования процесса перемещений наблюдаемых точек сооружения//Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». -1984. -№ 3. -С. 26-32.
- Гуляев Ю. П., Максименко Л. И., Хорошилов Е. В. Параметры осадок фундаментов как характеристики состояния зданий//Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2009. № 5. С. 44-48.
- Гуляев Ю.П., Каленицкий А.И. Задачи экогеологического и деформационного мониторинга.//Геодезия и картография. -1996. -№ 3. -С. 49-51.
- Гуляев Ю.П. О геодезическом мониторинге природно-технических систем и оптимальном конструировании его топографо-геодезической основы/Ю.П.Гуляев, Е.А.Васильев//Геодезия и картография.-2001.-№4.-С.5-9.
- Гуляев Ю.П. Классификация и взаимосвязь математических моделей для прогнозирования процессов деформации сооружений по геодезическим данным//Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». -1985. -№ 1. -С. 39-44.
- Vergounov E. G., Gulyayev Yu. P. Optimal Land Measuring Work Package for the Archaeological Research in Gorny Altai and Creation of the Specialized GIS (Geographic Information System)//FIG Working Week 2004. -Athens,Greece, 2004. -P. 2348-2377.
- Гуляев П.Ю., Имамов Р.Р., Юрукин П.А. Математическая модель и экспериментальная проверка микрогетерогенных эффектов распада волны СВ-синтеза на метастабильные тепловые очаги при введении инертной добавки // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 1 (57). С. 10-17.
- Гуляев П.Ю. Температурный гистерезис в волне горения СВ-синтеза оксидных бронз с высоким фототермическим эффектом // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 (56). С. 69-78.