Структурно-фазовые состояния боридов титана, полученных методом само распространяющегося высокотемпературного синтеза в поле ультразвуковых колебаний

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.

1. Рогачев, А. С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику / А. С. Рогачев, А. С. Мукасьян. – М.: Физматлит, 2012. – 400 с.

2. 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.201701065

3. Морозов, 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.

4. 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.

5. 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/B002431G

6. Feng, 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.x

7. Mechanistic 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)00276-1

8. К вопросу о равновесности продуктов СВС / А. Г. Мержанов [и др.] // Докл. Акад. наук. – 2004. – Т. 394, № 4. – С. 498–502.

9. Khina, B. B. Combustion Synthesis of Advanced Materials / B. B. Khina. – N. Y.: Nova Science Publ., 2010. – 110 p.

10. Пригожин, И. Введение в термодинамику необратимых процессов / И. Пригожин. – Ижевск: R&C Dynamics, 2001. – 160 с.

11. 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.

12. 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.

13. Влияние ультразвука на процесс горения / В. В. Клубович [и др.] // Докл. Акад. наук Беларуси. – 1992. – Т. 36, № 9–10. – С. 799–801.

14. 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.2013.07.030

15. Кулак, 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.

16. Кирдяшкин, 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.

17. Влияние 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.

18. Анищик, В. М. Структурный анализ: элементы теории, задачи, лабораторные работы / В. М. Анищик, Г. A. Гуманский. – Минск: Изд-во БГУ, 1979. – 136 с.

19. 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.

20. 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.

21. Kubaschewski, O. Metallurgical Thermochemistry / O. Kubaschewski, C. B. Alcock. – 5 th ed. – Oxford, U.K.: Pergamon Press, 1979. – 392 p.

22. 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.

23. Barin, I. Thermochemical Data of Pure Substances / I. Barin. – 3 rd ed. – N. Y.: VCH Publ., 1995. – 2003 p. https://doi.org/10.1002/9783527619825

24. Barin, I. Thermochemical Properties of Inorganic Substances / I. Barin, O. Knacke. – Berlin: Springer, 1973. – 921 p.

25. 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.

26. Shiryaev, A. Thermodynamics of SHS processes: An advanced approach / A. Shiryaev // Int. J. Self-Propag. HighTemp. Synth. – 1995. – Vol. 4, № 4. – P. 351–362.

27. 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/BF02869864

28. Thermodynamic 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.2003.09.017

29. Stolen, 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/10.1002/0470092688

30. Lukas, 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/cbo9780511804137

31. Определение 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.

32. 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.

33. Математическая теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович [и др.]. – М.: Наука, 1980. – 478 с.

34. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т. Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.