vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2019-64-2-143-156vestift-435Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYСтруктурно-фазовые состояния боридов титана, полученных методом само распространяющегося высокотемпературного синтеза в поле ультразвуковых колебанийStructural and phase states of titanium borides produced by the self-propagating high-temperature synthesis method in the field of ultrasound oscillationsКлубовичВ. В.KlubovichV. V.

Клубович Владимир Владимирович – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией пластичности, БНТУ; главный научный сотрудник, ФТИ НАН Беларуси

пр. Независимости, 65, 220013, Минск; ул. Купревича, 10, 220141, Минск

Vladimir V. Klubovich – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Engineering), Professor, Head of the Laboratory of Plasticity, BNTU; Chief Researcher

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk; 10, Kuprevich Str., 220141, Minsk

v_klubovich@tut.byКулакМ. М.KulakM. M.

Кулак Михаил Михайлович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики металлов

пр. генерала Людникова, 13, 210023, Витебск

Mikhail M. Kulak – Ph. D. (Engineering), Senior Researcher, Laboratory of Metal Physics

13, General Ludnikov Ave., 210023, Vitebsk

mmk_vit@tut.byХинаБ. Б.KhinaB. B.

Хина Борис Борисович – доктор физико-математических наук, доцент, главный научный сотрудник

ул. Купревича, 10, 220141, Минск

Boris B. Khina – D. Sc. (Physics and Mathematics), Assistant Professor, Chief Researcher

10, Kuprevich Str., 220141, Minsk

khina@tut.byБелорусский национальный технический университет; Физикo-технический институт Национальной академии наук БеларусиBelorussian National Technical University; Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут технической акустики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Technical Acoustics, National Academy of Sciences of BelarusФизикo-технический институт Национальной академии наук БеларусиPhysical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus201929062019642143156Copyright © Клубович В.В., Кулак М.М., Хина Б.Б., 20192019Клубович В.В., Кулак М.М., Хина Б.Б.Klubovich V.V., Kulak M.M., Khina B.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/435

На  разработанной  экспериментальной  установке  исследовано  влияние  ультразвуковых  колебаний (УЗК) на температуру и скорость горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в системе Ti–B и структурно-фазовые состояния полученных боридов. Влияние УЗК на СВС разделено на тепловое и физическое (нетепловое).  Тепловое  воздействие  связано  с  охлаждением  поверхности  образца  из-за  возникновения  вынужденной конвекции окружающего газа, а физическое – с влиянием УЗК на комплексные процессы взаимодействия в волне СВС, такие как растекание расплава, гетерогенные реакции и массоперенос в жидкой фазе. Наложение УЗК на СВС-процесс приводит к изменению фазового состава продуктов синтеза. Для шихты состава Ti–1,0В содержание орторомбической модификации фазы TiB увеличивается от 78,2 % без УЗК до 82,9 % при амплитуде УЗК ξ = 10 мкм, а содержание кубической модификации этой фазы уменьшается с 9,2 % при ξ= 0 до 6,8 % при ξ = 10 мкм. Для всех исследованных составов количество остаточного титана и фазы Ti3B4 уменьшается, а содержание фазы TiB2 увеличивается. Установлено, что проведение СВС в поле УЗК приводит к изменению удельной теплоемкости конечных продуктов синтеза: при увеличении амплитуды УЗК она возрастает на 4–5 %. Таким образом, показано, что наложение УЗК на СВС является эффективным физическим методом целенаправленного регулирования структурно-фазовых состояний и, следовательно, свойств продуктов синтеза и может быть использовано в качестве средства управления процессом синтеза.

The effect of ultrasound oscillations (USO) on the velocity and temperature of combustion during self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the Ti-B system and structural and phase states of the produced titanium borides is studied using the earlier developed experimental setup. The effect of USO on SHS is subdivided into thermal and physical (non-thermal). The thermal influence is connected with cooling of the specimen surface because of the occurrence of forced convection of the ambient gas, and the physical effect is due to the action of USO on complex interaction processes in the SHS wave such as melt spreading, heterogeneous reactions and mass transfer in the liquid phase. Imposition of USO on the SHS process brings about changes in the phase composition of the synthesis products. For charge composition Ti–1.0В the content of orthorhombic modification of phase TiB increases from 78.2 % without USO to 82.9 % at the USO amplitude ξ = 10 mm, while the content of the cubic modification of this phase decreases from 9.2 % at ξ= 0 to 6.8 % at ξ = 10 mm. For all the examined compositions, the amount of residual titanium and Ti3B4 decreases and the content of TiB2 increases. It is determined that carrying out SHS in the field of USO results in a change of the specific heat capacity of the target synthesis products: with raising the USO amplitude it increases by 4–5 %. Thereby it is shown that imposition of USO on SHS is an efficient physical method for purposeful regulation of structural and phase states and therefore properties of the synthesis products and can be used as a means for controlling the synthesis process.

самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)ультразвуковые колебания (УЗК)температура и скорость горениябориды титанафазовый составself-propagating high-temperature synthesis (SHS)ultrasound oscillations (USO)velocity and temperature of combustiontitanium boridesphase compositionReferencesРогачев, А. С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику / А. С. Рогачев, А. С. Мукасьян. – М.: Физматлит, 2012. – 400 с.Rogachev A. S., Mukasyan A. S. Combustion for Material Synthesis. Boca Raton, FL, CRC Press, 2015. 422 p.The solid flame phenomenon: A novel perspective / A. S. Mukasyan [et al.] // Adv. Eng. Mater. – 2018. – Vol. 20, № 8. – 1701065 (9 p.). https://doi.org/10.1002/adem.201701065Mukasyan A. S., Shuck C., Pauls J. M., Manukyan K. V., Moskovskikh D. O., Rogachev A. S. The solid flame phenomenon: A novel perspective. Advanced Engineering Materials, 2018, vol. 20, no. 8, 1701065 (9 p.). https://doi.org/10.1002/adem.201701065Морозов, Ю. Г. Нетепловое воздействие электрического поля на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Ю. Г. Морозов, М. В. Кузнецов, А. Г. Мержанов // Докл. Акад. наук. – 1997. – Т. 352, № 6. – С. 771–773.Morozov Yu. G., Kuznetsov M. V., Gerzhanov A. G. Non-thermal effect of the electric field on the process of self-propa gating high-temperature synthesis. Doklady Akademii nauk [Reports of Academy of Sciences], 1997, vol. 352, no. 6, pp. 771–773 (in Russian).Morozov, Yu. G. Electric fields in the processes of self-propagating high-temperature synthesis / Yu. G. Morozov, M. V. Kuznetsov, A. G. Merzhanov // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. – 1997. – Vol. 6, № 1. – P. 1–13.Morozov Yu. G., Kuznetsov M. V., Merzhanov A. G. Electric fields in the processes of self-propagating high-temperature synthesis. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 1997, vol. 6, no. 1, pp. 1–13.Microstructural aspects of the self-propagating high temperature synthesis of hexagonal barium ferrites in an external magnetic field / L. Affleck [et al.] / J. Mater. Chem. – 2000. – Vol. 10, iss. 8. – P. 1925–1932. https://doi.org/10.1039/B002431GAffleck L., Aguas M. D., Parkin I. P., Pankhurstb Q. A., Kuznetsov M. V. Microstructural aspects of the self-propagating high temperature synthesis of hexagonal barium ferrites in an external magnetic field. Journal of the Materials Chemistry, 2000, vol. 10, iss. 8, pp. 1925–1932. https://doi.org/10.1039/B002431GFeng, A. Effect of product conductivity on field-activated combustion synthesis / A. Feng, Z. A. Munir // J. Amer. Ceram. Soc. – 1997. – Vol. 80, iss 5. – P. 1222–1230. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1997.tb02968.xFeng A., Munir Z. A. Effect of product conductivity on field-activated combustion synthesis. Journal of the American Ceramic Society, 1997, vol. 80, iss. 5, pp. 1222–1230. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1997.tb02968.xMechanistic investigation of electric field-activated self-propagating reactions: experimental and modeling studies / R. Orrù [et al.] // Chem. Eng. Sci. – 2001. – Vol. 56, № 2. – P. 683–692. https://doi.org/10.1016/s0009-2509(00)00276-1Orrù R., Cincotti A., Cao G., Munir Z. A. Mechanistic investigation of electric field-activated self-propagating reactions: experimental and modeling studies. Chemical Engineering Science, 2001, vol. 56, no. 2, pp. 683–692. https://doi.org/10.1016/s0009-2509(00)00276-1К вопросу о равновесности продуктов СВС / А. Г. Мержанов [и др.] // Докл. Акад. наук. – 2004. – Т. 394, № 4. – С. 498–502.Merzhanov A. G., Kovalev D. Yu., Shkiro V. M., Ponomarev V. I. On the question of the equilibrium of SHS products. Doklady Akademii nauk [Reports of Academy of Sciences], 2004, vol. 394, no. 4, pp. 498–502 (in Russian).Khina, B. B. Combustion Synthesis of Advanced Materials / B. B. Khina. – N. Y.: Nova Science Publ., 2010. – 110 p.Khina B. B. Combustion Synthesis of Advanced Materials. New York, Nova Science Publ., 2010. 110 p.Пригожин, И. Введение в термодинамику необратимых процессов / И. Пригожин. – Ижевск: R&C Dynamics, 2001. – 160 с.Prigogine I. Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes. Springfild, 1955. 147 p.Мальцев, В. М. Особенности горения системы титан-углерод в ультразвуковом поле / В. М. Мальцев, В. А. Селезнев, С. В. Писковский // Хим. физика. – 1984. – Т. 3, № 12. – С. 1750–1754.Mal’tsev V. M., Seleznev V. A., Piskovskiy S. V. Specific features of combustion of the titanium-carbon system in the ultrasound field. Khimicheskaya fizika = Russian Journal of Physical Chemistry B, 1984, vol. 3, no. 12, pp. 1750–1754 (in Russian).Максимов, Ю. М. Влияние ультразвуковых колебаний на горение системы титан – бор / Ю. М. Максимов, А. Г. Мержанов, А. И. Кирдяшкин // Проблемы технологического горения. – Черноголовка: Отд-ние Ин-та хим. физики АН СССР, 1981. – Т. 1: Кинетика, термодинамика, механизм и теория горения. – С. 53–55.Maksimov Yu. M., Merzhanov A. G., Kirdyashkin A. I. Effects of ultrasonic vibrations on the combustion of the titanium – boron system. Problems of Technological Combustion. Vol. 1. Kunetics, thermodynamics, meshanism and theory of combustion. Chernogolovka, Department of the Institute of Chemical Physics USSR Academy of Sciences, 1981, pp. 53–55 (in Russian).Влияние ультразвука на процесс горения / В. В. Клубович [и др.] // Докл. Акад. наук Беларуси. – 1992. – Т. 36, № 9–10. – С. 799–801.Klubovich V. V., Kirillov S. A., Kotin I. M., Kulak M. M. Effect of ultrasound on the combustion process. Doklady Akademii nauk Belarusi = Doklady of the Academy of Sciences of Belarus, 1992, vol. 36, no. 9–10, pp. 799–801 (in Russian).Khina, В. В. Effect of ultrasound on combustion synthesis of composite material “TiC – metallic binder” / B. B. Khina, M. M. Kulak // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol. 578. – Р. 595–601. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.07.030Khina В. В., Kulak M. M. Effect of ultrasound on combustion synthesis of composite material “TiC – metallic binder”. Journal of Alloys and Compounds, 2013, vol. 578, pp. 595–601. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.07.030Кулак, М. М. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в системе Ti–C–Ni–Mo при наложении мощного ультразвука / М. М. Кулак, Б. Б. Хина // Инж.-физ. журн. – 2014. – Т. 87, № 2. – С. 325–335.Kulak M. M., Khina B. B. Self-propagating high-temperature synthesis in the Ti–C–Ni–Mo system on application of powerful ultrasound. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2014, vol. 87, no. 2, pp. 333–343. https://doi.org/10.1007/s10891-014-1017-1Кирдяшкин, А. И. О влиянии капиллярного растекания на процесс горения безгазовых систем / А. И. Кирдяшкин, Ю. М. Максимов, А. Г. Мержанов // Физика горения и взрыва. – 1981. – Т. 17, № 6. – C. 10–15.Kirdyashkin A. I., Maksimov Yu. M., Merzhanov A. G. Effects of capillary flow on combustion in a gas-free system. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1981, vol. 17, no. 6, pp. 591–595. https://doi.org/10.1007/BF00784246Влияние ультразвуковых колебаний на горение конденсированных систем с твердофазными продуктами реакции / Ю. М. Максимов [и др.] // Физика горения и взрыва. – 1984. – Т. 20, № 6. – C. 83–86.Maksimov Yu. M., Kirdyashkin A. I., Merzhanov A. G., Raskolenko L. G. Influence of ultrasonic vibrations on the combustion of condensed systems with solid-phase reaction products. Combustion, Explosion and Shock Waves, 1984, vol. 20, no. 6, pp. 669–672. https://doi.org/10.1007/BF00757316Анищик, В. М. Структурный анализ: элементы теории, задачи, лабораторные работы / В. М. Анищик, Г. A. Гуманский. – Минск: Изд-во БГУ, 1979. – 136 с.Anishchik V. M., Gumanskiy G. A. Structural Analysis: Elements of Theory, Problems, Laboratory Works. Minsk, Belarusian State University Publ., 1979. 136 p. (in Russian).Трусов, Б. Г. Программная система Терра для моделирования фазовых и химических равновесий в плазмо-химических системах / Б. Г. Трусов // Сб. тр. IV Междунар. симп. по теоретической и прикладной плазмохимии, 13– 18 мая 2005. – Иваново: Иванов. гос. хим.-технол. ун-т, 2005. – С. 2–11.Trusov B. G. Terra software system for modeling phase and chemical equilibria in plasmochemical systems. Sbornik trudov IV Mezhdunarodnogo simpoziuma po teoreticheskoi i prikladnoi plazmokhimii, 13–18 maya 2005 [Proceedings of the IV International Symposium on Theoretical and Applied Plasma Chemistry, May 13–18, 2005]. Ivanovo, Ivanovo State University of Chemical Technology, 2005, pp. 2–11 (in Russian).Белов, Г. В. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем / Г. В. Белов, Б. Г. Трусов. – М.: Моск. гос. техн. ун-т им. Н. Э. Баумана, 2013. – 96 с.Belov G. V., Trusov B. G. Thermodynamic Modeling of Chemically Reacting Systems. Moscow, N. E. Bauman MSTU Publ., 2013. 96 p. (in Russian).Kubaschewski, O. Metallurgical Thermochemistry / O. Kubaschewski, C. B. Alcock. – 5 th ed. – Oxford, U.K.: Pergamon Press, 1979. – 392 p.Kubaschewski O., Alcock C.B. Metallurgical Thermochemistry. 5 th edition. Oxford, U. K., Pergamon Press, 1979. 392 p.Chase, M. W. NIST-JANAF Thermochemical Tables: in 2 vol. / M. W. Chase. – 4 th ed. – N. Y.: Amer. Chem. Society and the Amer. Institute of Physics for the National Institute of Standards and Technology, 1998. – Vol. 1, 2. – 1961 p.Chase M. W. NIST-JANAF Thermochemical tables. 4 th edition. New York, Amer. Chem. Society and the Amer. Institute of Physics for the National Institute of Standards and Technology, 1998. 2 volumes. 1961 p.Barin, I. Thermochemical Data of Pure Substances / I. Barin. – 3 rd ed. – N. Y.: VCH Publ., 1995. – 2003 p. https://doi.org/10.1002/9783527619825Barin I. Thermochemical Data of Pure Substances. 3 rd edition. New York, VCH Publ., 1995. 2003 p. https://doi.org/10.1002/9783527619825Barin, I. Thermochemical Properties of Inorganic Substances / I. Barin, O. Knacke. – Berlin: Springer, 1973. – 921 p.Barin I., Knacke O. Thermochemical Properties of Inorganic Substances. Berlin, Springer-Verlag, 1973. 921 p.Новиков, Н. П. Термодинамический анализ реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Н. П. Новиков, И. П. Боровинская, А. Г. Мержанов // Проблемы горения в химической технологии и металлургии / Объедин. ин-т хим. физики; под ред. А. Г. Мержанова. – Черноголовка, 1975. – С. 174–188.Novikov N. P., Borovinskaya I. P., Merzhanov A. G. Thermodynamic analysis of reactions of self-propagating high-temperature synthesis. Merzhanov A. G. (ed.) Problemy goreniya v khimicheskoi tekhnologii i metallurgii [Problems of Combustion in Chemical Technology and Metallurgy]. Chernogolovka, 1975, pp. 174–188 (in Russian).Shiryaev, A. Thermodynamics of SHS processes: An advanced approach / A. Shiryaev // Int. J. Self-Propag. HighTemp. Synth. – 1995. – Vol. 4, № 4. – P. 351–362.Shiryaev A. Thermodynamics of SHS processes: An advanced approach. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 1995, vol. 4, no. 4, pp. 351–362.Murray, J. L. The B–Ti (boron-titanium) system / J. L. Murray, P. K. Liao, K. E. Spear // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1986. – Vol. 7, № 6. – P. 550–555. https://doi.org/10.1007/BF02869864Murray J. L., Liao P. K., Spear K. E. The B–Ti (boron-titanium) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1986, vol. 7, no. 6, pp. 550–555. https://doi.org/10.1007/BF02869864Thermodynamic assessment of the Ti – B system / Xiaoyan Ma [et al.] // J. Alloys and Compd. – 2004. – Vol. 370, № 1–2. – P. 149–158. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2003.09.017Xiaoyan Ma, Changrong Li, Zhenmin Du, Weijing Zhang. Thermodynamic assessment of the Ti–B system. Journal of Alloys and Compounds, 2004, vol. 370, no. 1–2, pp. 149–158. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2003.09.017Stolen, S. Chemical Thermodynamics of Materials: Macroscopic and Microscopic Aspects / S. Stolen, T. Grande, N. L. Allan. – Chichester, UK: John Wiley & Sons, 2004. – 398 p. https://doi.org/10.1002/0470092688Stolen S., Grande T., Allan N. L. Chemical Thermodynamics of Materials: Macroscopic and Microscopic Aspects. Chichester, John Wiley & Sons, 2004. 398 p. https://doi.org/10.1002/0470092688Lukas, H. L. Computational Thermodynamics: The Calphad Method / H. L. Lukas, S. G. Fries, B. Sundman. – Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 2007. – 313 p. https://doi.org/10.1017/cbo9780511804137Lukas H. L., Fries S. G., Sundman B. Computational Thermodynamics: The Calphad Method. Cambridge, Cambridge University Press, 2007. 313 p. doi.org/10.1017/cbo9780511804137Определение равновесных характеристик расплавов Fe–Si с использованием модели идеального раствора продуктов взаимодействия методами термодинамического моделирования / Г. К. Моисеев [и др.] // Докл. Акад. наук. – 1994. – Т. 337, № 6. – С. 775–778.Moiseev G. K., Vatolin N. A., Il’inyh N. I., Zaytseva S. I. Determining equilibrium characteristics of Fe–Si melts using the model of ideal solution of interaction products by the thermodynamic modeling methods. Doklady Akademii nauk [Reports of Academy of Sciences], 1994, vol. 337, no. 6, pp. 775–778 (in Russian).Турчанин, М. А. О применении теории идеального ассоциированного раствора для описания температурно-концентрационной зависимости термодинамических свойств бинарных расплавов / М. А. Турчанин, И. В. Белоконенко, П. Г. Агравал // Расплавы. – 2001. – № 1. – С. 58–69.Turchanin M. A., Belokonenko I. V., Agraval P. G. On the use of the theory of ideal associated solution for describing the temperature and concentration dependence of thermodynamic properties of binary solutions. Rasplavy = Melts, 2001, no. 1, pp. 58–69 (in Russian).Математическая теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович [и др.]. – М.: Наука, 1980. – 478 с.Zeldovich Ya. B., Barenblatt G. I., Librovich V. B., Makhviladze G. M. The Mathematical Theory of Combustion and Explosions. New York, Consultants Bureau, 1985. 597 p.Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т. Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.Kosolapova T. Ya (ed.). Properties, Production and Application of Refractory Compounds. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986. 928 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.