УДК 53.096

ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ВОЛНЫ СВ-СИНТЕЗА ОТ ПЛОТНОСТИ ШИХТЫ

Богданова Екатерина Владимировна1, Бороненко Марина Петровна2, Евсеев Федор Александрович3, Юрукин Павел Андреевич4
1Югорский государственный университет, студент
2Югорский государственный университет, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физико-химии процессов и материалов
3Югорский государственный университет, студент
4Югорский государственный университет, аспирант кафедры физико-химии процессов и материалов

Аннотация
Методами высокоскоростной микропирометрии получена зависимость скорости и температуры горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза от степени уплотнения порошковой смеси исходных продуктов. Полученные результаты позволяют утверждать об общности обнаруженного ранее явления «температурного гистерезиса» скорости горения. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.

Ключевые слова: плотность, порошки, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, скорость, температура


THE DEPENDENCE OF TEMPERATURE AND WAVE SHS BURNING RATE OF THE CHARGE DENSITY

Bogdanova Ekaterina Vladimirovna1, Boronenko Marina Petrovna2, Evseev Fyodor Alexandrovich3, Yurkin Paul Andreevich4
1Ugra State University, student
2Ugra State University, Ph.D., Senior Lecturer, Department of Physics and Chemistry of Materials and Processes
3Ugra State University, student
4Ugra State University, graduate student, Department of Physics and Chemistry of Materials and Processes

Abstract
Methods of high micropyrometer the dependence of the speed and temperature of combustion SHS on the degree of compaction of the powder mixture starting materials. These results suggest about the community of previously observed phenomenon of "thermal hysteresis" burning rate. The reported study was funded by RFBR according to the research project No. 15-42-00106.

Keywords: density, powders, Self-propagating high-temperature synthesis, temperature, velocity


Библиографическая ссылка на статью:
Богданова Е.В., Бороненко М.П., Евсеев Ф.А., Юрукин П.А. Зависимость температуры и скорости горения волны СВ-синтеза от плотности шихты // Современная техника и технологии. 2016. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2016/05/9935 (дата обращения: 27.05.2017).

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.

  1. Обнаружена зависимость скорости и температуры волны горения СВС от степени уплотнения исходных продуктов синтеза, которая говорит о их уменьшении с падением плотности шихты.
  2. 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].
  3. 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
  1. 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.
  2. 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.
  3. Gulyaev P.Yu. Plasma spraying of protective coatings from ferromagnetic SHS-materials//Research Journal of International Studies. 2013. № 12-1 (19). P. 74 -77.
  4. Гуляев П.Ю. Плазменное напыление защитных покрытий из ферромагнитных СВС-материалов//Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 12-1 (19). С. 74-77.
  5. Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes/P. GulyaevH. CuiI. GulyaevI. Milyukova//High Temperatures – High Pressures. 2015. Т. 44. № 2. С. 83-92.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Методы оптической диагностики частиц в высокотемпературных потоках/П. Ю. ГуляевА.В. ДолматовВ.А. Попов и др.//Ползуновский вестник. -2012. -№ 2/1. -С. 4-7.
  11. 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.
  12. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы/М.П. Бороненко,И.П. ГуляевП.Ю. Гуляев и др.//Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-2. С. 70-73.
  13. Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления/М.П. БороненкоИ.П. ГуляевП.Ю. ГуляевА.И. ДемьяновА.В. ДолматовВ.И. ИорданВ.Н. КоржикИ.В. КривцунМ.Ю. Харламов//Фундаментальные исследования. 2014. № 11-10. С. 2135 -2140.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П.Долматов А.В. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений//Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -1997. № 2. С. 114-115.
  18. 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.
  19. 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
  20. 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
  21. 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.
  22. Плазменная обработка и напыление порошков оксидов металлов, состоящих из полых сфер/О. П. СолоненкоИ. П. ГуляевА. В. Смирнов//Письма в ЖТФ, 2008. -Том 34. -Вып. 24. -С. 22-27.
  23. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П.Долматов А.В. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений//Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -1997. № 2. С. 114-115.
  24. 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
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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.
  34. 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.
  35. 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.
  36. Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок/А.Е. СвистулаД.Д. МатиевскийП.Ю. ГуляевА.В. Еськов//Двигателестроение. 1999. № 1. С. 29-31.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. 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.
  41. 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.
  42. 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.
  43. SHT-Synthesis and application of biofunctional nanoparticals used high photo-thermal effect for laser heating of biotissues/P.Yu. GulyaevM.K. KotvanovaA.I. OmelchenkoE.N. Sobol// В книге: The 23th Annual International Conference on Advanced Laser Technologies. ALT’15 Book of Abstracts. 2015. С. 46.
  44. 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.
  45. 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.
  46. 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.
  47. Гуляев Ю. П., Павлов А. П. Геодезические исследования техногенной геодинамики на строящейся Богучансткой ГЭС//Гидротехническое строительство. -1993. -№ 9. -С. 8-11.
  48. 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.
  49. 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.
  50. 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.
  51. Гуляев Ю.П., Каленицкий А.И. Задачи экогеологического и деформационного мониторинга.//Геодезия и картография. -1996. -№ 3. -С. 49-51.
  52. Гуляев Ю.П. О геодезическом мониторинге природно-технических систем и оптимальном конструировании его топографо-геодезической основы/Ю.П.ГуляевЕ.А.Васильев//Геодезия и картография.-2001.-№4.-С.5-9.
  53. 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.
  54. 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.
  55. 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.
  56. 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.


Все статьи автора «Евсеев Федор Александрович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: