Механизм влияния ультразвука на процессы горения и структурообразования при СВС в системах на основе титана

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.

1. Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. Франк-Каменецкий. – М.: Наука, 1987. – 502 с.

2. Свойства элементов: справочник / под ред. М. Е. Дрица. – М.: Металлургия, 1985. – 672 с.

3. Лариков, Л. Н. Структура и cвoйcтвa металлов и сплавов: справочник / Л. Н. Лариков, Ю. Ф. Юрченко. – Киев: Наук. думка, 1985. – 437 с.

4. 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/10.29235/1561-8358-2019-64-1-14-24

5. Mukasyan, 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.2007.09.002

6. Питаевский, Л. П. Физическая кинетика / Л. П. Питаевский, Е. М. Лифшиц. – М.: Наука, 1979. – 530 с.

7. Клубович, 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.

8. 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.2013.07.030

9. Влияние 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.

10. 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.

11. 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.

12. Прохоренко, П. П. Ультразвуковой капиллярный эффект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е. Коновалов. – Минск: Наука и техника, 1981. – 135 с.

13. 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.

14. Левич, В. Г. Физико-химическая гидродинамика / В. Г. Левич. – М.: Физматгиз, 1959. – 699 с.

15. Найдич, Ю.В. Взаимодействия металлических расплавов с поверхностью алмаза и графита / Ю. В. Найдич, Г. А. Колесниченко. – Киев: Наук. думка, 1967. – 87 с.

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

17. Eskin, G. I. Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts / G. I. Eskin. – London: CRC Press, 1998. – 352 p. https://doi.org/10.1201/9781498701792

18. Mullin, J. W. Crystallization / J. W. Mullin. – 4th ed. – Oxford, UK: Butterworth-Heinemann, 2001. – 600 p.

19. 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.2006.05.025

20. Френкель, Я. И. Кинетическая теория жидкостей / Я. И. Френкель. – Л.: Наука, 1975. – 592 с.

21. 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/b978-0-444-53770-6.00007-1