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"10.29235/1561-8358-2020-65-1-7-16vestift-575Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYМеханизм влияния ультразвука на процессы горения и структурообразования при СВС в системах на основе титанаMechanism of the ultrasound influence on combustion and structure formation at SHS in titanium-base systemsХинаБ. Б.KhinaB. B.

Хина Борис Борисович – доктор физико-математических наук, доцент, главный научный сотрудник, ФТИ НАН Беларуси (ул. Академика Купревича, 10, Минск, 220141); профессор, БГАА (ул. Уборевича, 77, Минск, 220096)

Boris B. Khina – D. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Principal Researcher, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus (10, Academician Kuprevich Str., Minsk, 220141); Professor, Belarusian State Aviation Academy (77, Uborevich Str., 220096, Minsk)

khina@tut.byКлубовичВ. В.KlubovichV. V.

Клубович Владимир Владимирович – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией пластичности, БНТУ (пр. Независимости, 65, 220013, Минск); главный научный сотрудник, ФТИ НАН Беларуси (ул. Академика 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, Belarusian National Technical University (65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk); Principal Researcher, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus (10, Academician Kuprevich Str., 220141, Minsk)

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

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

пр. Генерала Людникова, 13, Витебск, 210009

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

13, General Ludnikov Ave., 210009, Vitebsk

mmk_vit@tut.byФизикo-технический институт Национальной академии наук Беларуси; Белорусская государственная академия авиацииPhysical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Belarusian State Academy of AviationФизикo-технический институт Национальной академии наук Беларуси; Белорусский национальный технический университетPhysical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Belarusian National Technical UniversityИнститут технической акустики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Technical Acoustics of the National Academy of Sciences of Belarus202006042020651716Copyright © Хина Б.Б., Клубович В.В., Кулак М.М., 20202020Хина Б.Б., Клубович В.В., Кулак М.М.Khina B.B., Klubovich V.V., Kulak M.M.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/575

На разработанной экспериментальной установке исследовано влияние ультразвуковых колебаний (УЗК) на температуру и скорость горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в системах Ti–C, Ti–C–Ni–Mo, Ti–B. На основании анализа существующих литературных данных и собственных измерений разработано теоретическое объяснение полученных результатов. Установлено влияние интенсивности ультразвуковых колебаний на состав и структуру конечных продуктов синтеза. Получено, что наряду с изменением параметров волны горения увеличивается полнота взаимодействия и происходит изменение микроструктуры и фазового состава продуктов реакции. Предложена концепция разделения влияния УЗК на СВС на тепловое (макроскопическое), связанное с вынужденной конвекцией газа вокруг осциллирующего образца, которая приводит к снижению температуры и скорости горения, и микроскопическое (нетепловое) воздействие, связанное с изменением условий растекания расплава, протекания гетерогенных реакций и массопереноса в жидкой фазе в высокотемпературной зоне волны СВС, что приводит к изменению фазового состава и структуры конечного продукта.

Using the developed experimental setup, the effect of ultrasonic oscillations (USO) on the temperature and combustion velocity during self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the Ti–C, Ti–C–Ni–Mo and Ti–B systems is studied. Basing on the analysis of data known in literature and our own measurements, theoretical explanation to the observed results is proposed. The effect of the intensity of ultrasonic oscillations on the composition and structure of the final synthesis products is established. It was found that along with changes in the parameters of the combustion wave, the completeness of the interaction increases, and changes in the microstructure and phase composition of the reaction products occur. The concept of separation of the effect of USO on SHS into thermal, or macroscopic, and non-thermal, or microscopic is proposed. The former is associated with forced convection of gas around an oscillating specimen and leads to a decrease in temperature and combustion velocity. The latter is connected with a change in the melt spreading conditions, the progress of heterogeneous reactions and mass transfer in the liquid phase in the high-temperature zone of the SHS wave, which lead to a change in the phase composition and structure of the final product.

самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)ультразвуковые колебания (УЗК)зоны волны горения карбидыбориды титанафазовый составself-propagating high-temperature synthesis (SHS)ultrasonic oscillations (USO)combustion wave zonestitanium carbidesboridesphase compositionReferencesФранк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. Франк-Каменецкий. – М.: Наука, 1987. – 502 с.Frank-Kamenetskii D. A. Diffusion and Heat Transfer in Chemical Kinetics. New York, Plenum Press, 1969. 574 p.Свойства элементов: справочник / под ред. М. Е. Дрица. – М.: Металлургия, 1985. – 672 с.Drits M. E. (ed.). Elements Properties. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985. 672 p. (in Russian).Лариков, Л. Н. Структура и cвoйcтвa металлов и сплавов: справочник / Л. Н. Лариков, Ю. Ф. Юрченко. – Киев: Наук. думка, 1985. – 437 с.Larikov L. N., Yurchenko Yu. F. Structure and Properties of Metals and Alloys. Kiev, Naukova dumka Publ., 1985. 437 p. (in Russian).Клубович, В. В. Особенности формирования объемных пористых систем при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. Бориды / В. В. Клубович, М. М. Кулак, Б. Б. Хина // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Cер. фiз.-тэхн. навук. – 2019. – Т. 64, № 1. – С. 14–24. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-1-14-24Klubovich V. V., Kulak M. M., Khina B. B. Specific features of formation of bulk porous systems in the self-propagating high-temperature synthesis. Borides. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2019, vol. 64, no. 1, pp. 14–24 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-1-14-24Mukasyan, A. S. Discrete reaction waves: Gasless combustion of solid powder mixtures / A. S. Mukasyan, A. S. Rogachev // Progress in Energy and Combustion Science. – 2008. – Vol. 34, № 3. – P. 377–416. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2007.09.002Mukasyan A. S., Rogachev A. S. Discrete reaction waves: Gasless combustion of solid powder mixtures. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, vol. 34, no. 3, pp. 377–416. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2007.09.002Питаевский, Л. П. Физическая кинетика / Л. П. Питаевский, Е. М. Лифшиц. – М.: Наука, 1979. – 530 с.Pitaevskii L. P., Lifshits E. M. Physical Kinetics. Volume 10 of Cource of Theoretical Physics. Oxford [et. al.], Pergamon Press, 1981. https://doi.org/10.1016/c2009-0-07802-7Клубович, В. В. Структурообразование тугоплавких соединений титана, получаемых методом СВС при ультразвуковых воздействиях / В. В. Клубович, М. М. Кулак // Вестн. Фонда фундамент. исслед. – 2013. – № 3. – С. 80–100.Klubovich V. V., Kulak M. M. Structure formation of refractory titanium compounds obtained by the SHS me thod under ultrasonic influences. Vestnik Fonda fundamental’nykh issledovanii = Bulletin of the Foundation for Fundamental Research, 2013, no. 3, pp. 80–100 (in Russian).Khina, B. B. 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 B. B., 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.2013.07.030Влияние ультразвуковых колебаний на процессы структурообразования продуктов в системе титан-бор, получаемых методом СВС / В. В. Клубович [и др.] // Перспективные материалы и технологии: в 2 т. / под ред. В. В. Клубовича. – Витебск: УО «ВГТУ», 2015. – Т. 2. – С. 70–88.Klubovich V. V., Kulak M. M., Platonov L. L., Khina B. B. The influence of ultrasonic vibrations on the processes of structure formation of products in the titanium-boron system obtained by SHS. Klubovich V. V. (ed.). Perspektivnye materialy i tekhnologii. T. 2 [Promising Materials and Technologies. Vol. 2]. Vitebsk, Vitebsk State Technological University, 2015, pp. 70–88 (in Russian).Клубович, В. В. Ультразвуковой способ управления структурообразованием боридов титана в волне СВС / В. В. Клубович, М. М. Кулак, Б. Б. Хина // Перспективные материалы и технологии: в 2 т. / под ред. В. В. Клубовича. – Витебск: УО «ВГТУ», 2017. – Т. 1. – С. 5–16.Klubovich V. V., Kulak M. M., Khina B. B. Ultrasonic method for controlling the structure formation of titanium borides in the SHS wave. Klubovich V. V. (ed.). Perspektivnye materialy i tekhnologii. T. 1 [Promising Materials and Technologies. Vol. 1]. Vitebsk, Vitebsk State Technological University, 2017, pp. 5–16 (in Russian).Хина, Б. Б. Применение Calphad-подхода для термодинамического расчета адиабатической температуры СВС в системе титан-бор / Б. Б. Хина, М. М. Кулак, В. В. Клубович // Вестн. Фонда фундамент. исслед. – 2019. – № 2. – С. 150–162.Khina B. B., Kulak M. M., Klubovich V. V. Application of the Calphad approach for thermodynamic calculation of the adiabatic temperature of SHS in a titanium-boron system. Vestnik Fonda fundamental’nykh issledovanii = Bulletin of the Foundation for Fundamental Research, 2019, no. 2, pp. 150–162 (in Russian).Прохоренко, П. П. Ультразвуковой капиллярный эффект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е. Коновалов. – Минск: Наука и техника, 1981. – 135 с.Prokhorenko P. P., Dezhkunov N. V., Konovalov G. E. Ultrasonic Capillary Effect. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1981. 135 p. (in Russian).Влияние капиллярного растекания на распространение волны горения в безгазовых системах / Е. А. Некрасов [и др.] // Физика горения и взрыва. – 1978. – Т. 14, № 5. – С. 26–32.Nekrasov E. A., Maksimov Yu. M., Ziatdinov M. X., Shteinberg A. S. Effect of capillary spreading on combustion-wave propagation in gas-free system. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1978, vol. 14, no. 5, pp. 575–581. https://doi.org/10.1007/bf00789713Левич, В. Г. Физико-химическая гидродинамика / В. Г. Левич. – М.: Физматгиз, 1959. – 699 с.Levich V. G. Physicochemical Hydrodynamics. Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 1962. 700 p.Найдич, Ю.В. Взаимодействия металлических расплавов с поверхностью алмаза и графита / Ю. В. Найдич, Г. А. Колесниченко. – Киев: Наук. думка, 1967. – 87 с.Naidich Yu. V., Kolesnichenko G. A. Interactions of Metal Melts with the Surface of Diamond and Graphite. Kiev, Naukova dumka Publ., 1967. 87 p.Математическая теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович [и др.]. – М.: Наука, 1980. – 478 с.Zel’dovich Ya. B., Barenblatt G. I., Librovich V. B., Makhviladze G. M. Mathematical Theory of Combustion and Explosion. New York, Consulnans Bureau, 1985. 597 p.Eskin, G. I. Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts / G. I. Eskin. – London: CRC Press, 1998. – 352 p. https://doi.org/10.1201/9781498701792Eskin G. I. Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts. London, CRC Press, 1998. 352 p. https://doi.org/10.1201/9781498701792Mullin, J. W. Crystallization / J. W. Mullin. – 4th ed. – Oxford, UK: Butterworth-Heinemann, 2001. – 600 p.Mullin J. W. Crystallization. 4 th ed. Oxford, UK, Butterworth-Heinemann, 2001. 600 pp.Primary nucleation induced by ultrasonic cavitation / C. Virone [et al.] // J. Crystal Growth. – 2006. – Vol. 294, iss. 1. – P. 9–15. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.05.025Virone C., Kramer H. J. M., Rosmalen van G. M., Stoop A. H., Bakker T. W. Primary nucleation induced by ultrasonic cavitation. Journal of Crystal Growth, 2006, vol. 294, iss. 1, pp. 9–15. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.05.025Френкель, Я. И. Кинетическая теория жидкостей / Я. И. Френкель. – Л.: Наука, 1975. – 592 с.Frenkel’ Ya. I. Kinetic Theory of Liquids. New York, Dover, 1955. 500 p.Boettinger, W. J. Solidification / W. J. Boettinger, D. K. Banerjee // Physical Metallurgy / eds.: D. E. Laughlin, K. Hono. – 5th ed. – Elsevier, 2014. – Vol. 1. – P. 639–850. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-53770-6.00007-1Boettinger W. J., Banerjee D. K. Solidification. Laughlin D. E., Hono K., eds. Physical Metallurgy. Vol. 1. 5 th ed. Elsevier, 2014, pp. 639–850. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-53770-6.00007-1

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