Реферат          Библиотека         Ссылки          Отчет о поиске         Индивидуальное задание

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ  РАЗВИТИЯ  СВС-ТЕХНОЛОГИЙ

А.Д.Коноваленко, В.В. Драгобецкий

Кременчугский государственный политехнический университет

 

            Основными направлениями синтеза и модификации материалов с использованием энергии горения и взрыва являются: ударно волновой синтез, детонационный и самораспространяющийся высокотемпературный.

Ударно-волновой синтез заключается в использовании воздействия энергии взрыва на реакционную смесь или модифицируемый материал через какую-либо преграду.

            Детонационный синтез связан с использованием энергии взрыва при непосредственном контакте дето­нирующего взрывчатого вещества с реакционной смесью или модифицируемым материалом.

            Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (в дальнейшем СВС) заключается в сгора­нии исходных компонентов и их соединении в однородный материал путем экзотермической реакции. Особен­ности динамического и температурного воздействия связаны как с абсолютной величиной действующих факторов (давление и температура) так и со скоростью изменения этих факторов и градиентами, величина которых также чрезвы­чайно высока, что определяет особенности изменения физико-механических свойств обрабатываемых материа­лов.

            При слишком интенсивной ударной волне, возникает сопуствующий ударному сжатию необратимый разогрев вещества, который может привести к тому, что раздробленное во фронте ударной волны вещество затем спека­ется в более или менее прочные конгломераты. Кроме того, при высокой степени измельчения возможно само­воспламенение порошков и  начало СВС-процесса.

            При ударном сжатии смеси веществ, одновременная физико-химическая активизация облегчает про­цессы их последующего химического взаимодействия. Кроме того, при ударно-волновом синтезе, обеспечива­ется быстрый отвод тепла от продуктов на стадии после прохождения ударных волн. Это способствует образо­ванию метастабильных фаз, т.е. при достаточно высоких динамических давлениях и температурах вероятно об­разование фаз высокого давления, таких как алмаз или алмазоподобные модификации нитрида бора. Создание таких фаз и организация их получения требует ухищрений для отвода избыточного тепла.

            В настоящее время разработаны разнообразные способы синтеза и модификации материалов с исполь­зованием энергии горения и взрыва:

n   синтез сверхтвердых материалов, тугоплавких веществ;

n   сплавление веществ, резко различающихся по своим температурам кипения;

n   ударно-волновая активизация порошков для их последующего спекания или самораспространяющегося вы­сокотемпературного синтеза;

n   детонационное дробление  особо прочных порошков, самораспространяю-щийся высокотемпературный синтез,  взрывное прессование веществ и получение композиционных материалов;

n   ударно-волновая активизация бедных руд, облегчающая их последующее вскрытие;

n   получение твердых растворов с необычно широкими областями гомогенности, импульсное окисление орга­нических и неорганических веществ.

n   получение алмазов при сочетании горячей ковки серого чугуна с последующим взрывным нагружением и  термоциклированием [1].

            Процессы получения деталей и полуфабрикатов с использованием энергии бризантных взрывчатых веществ широко и эффективно используются в металлообработке [2, 3, 4]. Возможности же процессов само­распространяющегося высокотемпературного синтеза до конца не использованы и не выявлены многие сферы применения технологии.

            В настоящее время СВС используют для синтеза керамических и металлических порошков, одновременного синтеза и уплотнения керамики, нанесения керамических покрытий, соединения материалов, выращивания монокристаллов и т.д. СВС-материалы и изделия получают; горячей экструзией, холодным волочением, газостатическим прессованием вакуумным обжигом, тепловым взрывом, центробежно-термитным процессом, реакционным горячим прессованием.

            Таким образом разновидностями СВС-технологии являются технология порошков, СВС-спекание, СВС-металлургия, СВС-сварка, технология газотранспортных СВС-покрытий.

            Освоен также метод теплового самовоспламенения, заключающийся в совмещении химических транс­портных реакций с процессом теплового самовоспламенения порошковых смесей, который используется для упрочнения материалов и нанесения  защитных покрытий [5]  .

            В области разработки технологий получения изделий и создания технологического оборудования рас­сматриваются следующие направления.

            Совмещение процесса с термоупругой штамповкой, или иначе называемым термическим прессованием. Осуществление процесса получения деталей возможно следующим образом. В контейнер вводят оправку, на ко­торой имеется рельеф. Между контейнером и оправкой помещают порошок необходимого состава. Осуществ­ляют поджиг. В процессе горения оправка нагревается, при этом тепловое расширение оправки вызывает пере­мещение ее наружной поверхности на определенную величину, необходимую для заполнения рельефа еще не­остывшими продуктами горения. Таким образом возможно создание усилия в сотни тысяч тонн.

            Сочетание с процессом торцевой прокатки и сферодвижной штамповки. В матрицу загружают смесь из порошков, осуществляют воспламенение в направлении перемещающегося очага давления, создаваемого пере­катывающимся пуансоном. Скорости горения смеси и перемещения очага деформации согласовывают. В ре­зультате происходит формообразование изделия из прореагировавшего продукта.

            Получение изделий выжиманием. Аналогия с методом литья выживанием. В металлоприемник уста­новки засыпают порошковую смесь. Производят воспламенение смеси. Скорость сближения матриц согласуют либо со скоростью горения смеси, либо со скоростью кристаллизации. В последнем случае согласование  производят при про­текании экзотермической реакции окисления и необходимости восстановления чистого металла.

            Большие возможности открывает совмещение процессов СВС с импульсной металлообработкой (магнитно-импульсной, взрывной, электрогидравлической и газодетонационной).

            СВС-спекание можно осуществить и используя реакцию ударно-волнового синтеза. Тепло, выделяющееся при ударе, инициирует экзотермическую самоподдерживающуюся реакцию между элементами порошковой смеси. Возможности для выбора методов ударно-волнового воздействия для совмещения с СВС-процессами достаточно разноообразны:

а) магнитно-импульсное прессование порошковых материалов через промежуточные среды;

б) воздействие на порошковые материалы импульсом давления возникают при взрыве газовых смесей;

в) высокоскоростные пневматические машины;

г) импульсно-вакуумные установки;

д) ударом твердого тела с пороховым и газовым приводом;

е) пневмогидравлические машины высокоскоростного (ударного) формообразования сыпучих материалов;

ж) взрывное прессование;

з) криогенные технологии прессования.

            Среди этих методов наибольший интерес представляет собой магнито импульсное, импульсно-вакуумное и сжиженными газами прессование. Магнитно-импульсная обработка помимо процесса прессования, воздействует на структуру материала, производит встряхивание и модификацию сыпучих материалов.

            Криогенную обработку рационально совместить с “центробежно-термитным процессом” путем впрыскивания доз сжиженных газов во вращающийся контейнер это приведет к дополнительному  поддавливанию настывшего полуфабриката и фиксации промежуточных структур.

            При осуществлении процесса с использованием импульсно-вакуумных установок путем  перекоммутации вакуумконтейнера с компонентами перед включением в работу импульсно-вакуумного модуля.

            Воспламенение высокоэкзотермической смеси металлических и керамических порошков может происходить при воздействии высокочастотных электромагнитных полей. Как правило, исходные смеси не поглащают электромагнитных полей и перед инициированием горения имеют температуру окружающей среды. Конечный же продукт горения интенсивно поглащает электромагнитное поле и может быть до температур порядка 2000оС и выше [6]. При наложении электромагнитных полей в процессе горения источник электромагнитного поля движется за фронтом горения. Это приводит к появлению дополнительного теплового источника  электромагнитной природы. Учитывая, что основная мощность электромагнитного источника сосредоточена в пределах скип-слоя, возможно получение изделий переменной прочности от центра до периферии.

            Совмещение СВС-процесса с криогенными методами обработки возможна фиксация промежуточных продуктов и получение новых метастабильных структур и состояний вещества, обладающих особыми свойствами.

            Энергию взрыва конденсированных взрывчатых веществ возможно использовать: для модификации порошковых смесей; получения изделий путем взрывного прессования; для воспламенения компонент. В на­стоящее время нами разрабатываются и проходят испытания процессы совместной модификации и воспламе­нения порошковых смесей взрывом. Взрывчатое вещество располагают таким образом относительно контей­нера, чтобы по мере распространения детонации в начальной стадии происходила модификация исходного мате­риала, а в последующей, - дополнительный заряд повышенной мощности доводил температуру в зоне взрыва до температуры воспламенения модифицированного порошка.

            Апробируются схемы расположения зарядов взрывчатого вещества по периметру и торцам контей­нера, а также встречного метания порошков зарядами различной формы, в том числе и кумулятивными.

            Таким образом возможные варианты сочетания СВС-процесса следующие:

n     со сферодвижной штамповкой и торцевой прокаткой в СВС-спекание;

n     с термоупругой штамповкой в СВС-прессовании;

n     с термоупругой штамповкой в СВС-прессовании;

n     с криогенными методами в СВС-металлургии;

n     обработкой электромагнитными полями (токи высокой частоты, магнитно импульсная);

n     ударно волновой (ударом твердого тела);

n     взрывной, лазерной, электрогидравлической и т.д.

            В перспективе предусматривается совмещение СВС-процесса с процессами сверхбыстрого охлажде­ния, а также получение зернистых материалов у которых абразивные твердые частицы закрепляют соответст­вующей связной.

 

Литература

1. Соболев В.В., Таран Ю.Н., Губенко С.И. Синтез алмаза в чугуне. Материаловедение и термическая обра­ботка./1993, №1, с.3-6.

2. Обработка металлов взрывом/ А.В.Крунин, В.Я.Соловьев, Г.С.Попов, М.Р.Крьстев - М.: Металлургия, 1991 - 496 с.

3. Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические методы обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1975, 280 с.

4. Сварка взрывом. Ю.А.Конон, Л.Б.Первухин, А.Д.Чудновский. Под ред. В.М.Кудинова - М.: Машинострое­ние, 1987.-216 с.

5. Коган Я.Д., Когтогоров Е.П.,Струве Н.Э., Инякин А.А. Поверхностное упрочнение титановых сплавов в ре­жиме теплового самовоспламенения. Материаловедение и термическая обработка / 1992. №6 с. 15-16.

6. Трофимов А.И., Юхвид В.И. Эффект влияния электромагнитного поля на горение системы Ті+С./Физика горения и взрыва.-1993.- №1. с.71-73.

Источник:

www.rh.vizitka.com.ua/siter/rh/files/newsov.doc.