Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением
Построена физико-химическая модель процесса реакционного взаимодействия, инициированного контактным плавлением в порошковых смесях, с учетом зависимости от температуры равновесной концентрации тугоплавкого компонента в перитектической жидкости. На примере реакции взаимодействия в системе Ti—Al сопос...
Gespeichert in:
| Datum: | 2013 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2013
|
| Schriftenreihe: | Современные проблемы физического материаловедения |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114533 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением / В.П. Солнцев, В.В. Скороход, К.Н. Петраш, А.М. Шахновский // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2013. — Вип. 22. — С. 181-185. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-114533 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1145332017-03-09T03:02:32Z Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением Солнцев, В.П. Скороход, В.В. Петраш, К.Н. Шахновский, А.М. Построена физико-химическая модель процесса реакционного взаимодействия, инициированного контактным плавлением в порошковых смесях, с учетом зависимости от температуры равновесной концентрации тугоплавкого компонента в перитектической жидкости. На примере реакции взаимодействия в системе Ti—Al сопоставлены теоретические и экспериментальные термокинетические зависимости процесса, которые качественно совпадают. Побудовано фізико-хімічну модель процесу реакційної взаємодії, ініційованої контактним плавленням у порошкових сумішах, з урахуванням залежності від температури рівноважної концентрації тугоплавкого компонента в перитектичній рідині. На прикладі реакції взаємодії в системі Ti—Al порівняно теоретичні та експериментальні термокінетичні залежності процесу, які якісно співпадають. The physicochemical model of the process initiated by reacting contact melting of powder mixtures, taking into account the temperature dependence of the equilibrium concentration of refractory component in the peritectic liquid, was built. The example of interaction in the system Ti—Al compared theoretical and experimental dependences of thermokinetic process, which are qualitatively the same 2013 Article Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением / В.П. Солнцев, В.В. Скороход, К.Н. Петраш, А.М. Шахновский // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2013. — Вип. 22. — С. 181-185. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. XXXX-0073 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114533 621.762:536.75:531.19 ru Современные проблемы физического материаловедения Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Построена физико-химическая модель процесса реакционного взаимодействия, инициированного контактным плавлением в порошковых смесях, с учетом зависимости от температуры равновесной концентрации тугоплавкого компонента в перитектической жидкости. На примере реакции взаимодействия в системе Ti—Al сопоставлены теоретические и экспериментальные термокинетические зависимости процесса, которые качественно совпадают. |
| format |
Article |
| author |
Солнцев, В.П. Скороход, В.В. Петраш, К.Н. Шахновский, А.М. |
| spellingShingle |
Солнцев, В.П. Скороход, В.В. Петраш, К.Н. Шахновский, А.М. Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением Современные проблемы физического материаловедения |
| author_facet |
Солнцев, В.П. Скороход, В.В. Петраш, К.Н. Шахновский, А.М. |
| author_sort |
Солнцев, В.П. |
| title |
Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением |
| title_short |
Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением |
| title_full |
Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением |
| title_fullStr |
Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением |
| title_full_unstemmed |
Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением |
| title_sort |
термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114533 |
| citation_txt |
Термокинетика начальной стадии контактного плавления в перитектических системах с химическим соединением / В.П. Солнцев, В.В. Скороход, К.Н. Петраш, А.М. Шахновский // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2013. — Вип. 22. — С. 181-185. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Современные проблемы физического материаловедения |
| work_keys_str_mv |
AT solncevvp termokinetikanačalʹnojstadiikontaktnogoplavleniâvperitektičeskihsistemahshimičeskimsoedineniem AT skorohodvv termokinetikanačalʹnojstadiikontaktnogoplavleniâvperitektičeskihsistemahshimičeskimsoedineniem AT petraškn termokinetikanačalʹnojstadiikontaktnogoplavleniâvperitektičeskihsistemahshimičeskimsoedineniem AT šahnovskijam termokinetikanačalʹnojstadiikontaktnogoplavleniâvperitektičeskihsistemahshimičeskimsoedineniem |
| first_indexed |
2025-07-08T07:36:42Z |
| last_indexed |
2025-07-08T07:36:42Z |
| _version_ |
1837063424655228928 |
| fulltext |
181
УДК 621.762:536.75:531.19
Термокинетика начальной стадии контактного
плавления в перитектических системах с химическим
соединением
В. П. Солнцев1, В. В. Скороход1, К. Н. Петраш
1, 2,
А. М. Шахновский
2
1
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича
НАН Украины, Киев, e-mail: SolntcevVP@gmail.com
2
Национальный технический университет "Киевский политехнический
институт"
Построена физико-химическая модель процесса реакционного взаимодействия,
инициированного контактным плавлением в порошковых смесях, с учетом
зависимости от температуры равновесной концентрации тугоплавкого
компонента в перитектической жидкости. На примере реакции взаимодействия
в системе Ti—Al сопоставлены теоретические и экспериментальные
термокинетические зависимости процесса, которые качественно совпадают.
Ключевые слова: термокинетика, физико-химическая модель, контактное
плавление, самообострение, порошковые смеси, титан, алюминий.
Введение
Получение сплавов из чистых компонентов, синтез соединений
заданного состава, реакционное спекание композиционных материалов,
пайка, сварка материалов и ряд других технологических процессов, в
которых наблюдается появление жидкой фазы в результате контактного
плавления компонентов в системах с химическими соединениями,
сопряжено с определенными трудностями. Это связано с термокинети-
ческими явлениями, обусловленными конкуренцией процессов плавления,
реакций образования соединений и теплового обмена с внешней средой
[1, 2]. В большинстве случаев указанные технологические процессы
неизотермичны. Неизотермичность технологии может приводить к неже-
лательным последствиям, среди которых неконтролируемое качество полу-
чаемого продукта (неполная гомогенизация) и износ технологического
оборудования вследствие перегрева или переохлаждения, выброс
компонентов с высокой упругостью пара, а также могут наблюдаться и
явления теплового взрыва. При разработке технологии приходится
проводить большое количество дорогостоящих экспериментальных иссле-
дований для оптимизации процесса получения конечного продукта. При
этом до настоящего времени теоретические разработки этих процессов
находятся на уровне формального описания, что не позволяет достичь
принципиального прогресса в этой области.
Теория и термокинетическая модель
Ранее была предложена термокинетическая модель процесса синтеза
соединения со скрытым максимумом [3]. Аналитическое решение ее
© В. П. Солнцев, В. В. Скороход, К. Н. Петраш, А. М. Шахновский, 2013
182
позволило установить несколько различных типов термокинетического
поведения в зависимости от начальных условий и управляющих парамет-
ров системы. В настоящей работе представлен уточненный вариант моде-
ли с учетом зависимости равновесной концентрации реакционного компо-
нента от температуры. Термокинетическая модель с учетом этого имеет вид
),(])([ 321 aTT
h
l
kXkXTakX −−−−=&
),(])([ 21 aTTlXHkhXTakTс −−+−−=&
где X — концентрация растворяющегося компонента в жидком расплаве;
)(Ta — его равновесная концентрация в расплаве; 1k и 2k — константы
скоростей растворения и реакции синтеза; h — энтальпия растворения
твердого компонента в расплаве или кристаллизация его из него и H —
энтальпия реакции синтеза; с — теплоемкость; l — коэффициент тепло-
передачи; T — температура расплава; aT — температура окружающей
среды. Функцию равновесной концентрации )(Ta определяли на основе
экспериментальных данных равновесной диаграммы состояния системы
титан—алюминий [4]. Нелинейность этой функции приводит к
нелинейности системы дифференциальных уравнений термокинетической
модели процесса, что не позволяет получить решение данной системы
аналитическими методами. Поэтому в качестве основного метода решения
применен вычислительный эксперимент.
Равновесная концентрация в расплаве является функцией температу-
ры. Данная функция получена в результате аппроксимации эксперимен-
тальных данных равновесной диаграммы состояния. В качестве аппрок-
симирующих опробованы следующие зависимости: полиномы первой,
второй и четвертой степеней, показательная, экспоненциальная, логариф-
мическая функции. Среди полученных зависимостей наиболее приемле-
мыми оказались функция четвертой степени и логарифмическая функция,
поскольку имело место наименьшее отклонение рассчитанных по
указанным функциям значений равновесной концентрации от соответ-
ствующих эмпирических данных. В ходе дальнейших исследований
аппроксимирующий многочлен четвертой степени исключен из рассмо-
трения по следующей причине. При использовании указанной аппрокси-
мирующей функции выяснилось, что даже малые изменения аргумента
(температуры) приводят к значительным колебаниям расчетной равновес-
ной концентрации в расплаве. Поэтому для дальнейшего использования
аппроксимирующей функции принята следующая логарифмическая функция:
a(T) = 99944,758 – 44426,468 ln (T) + 6588,649 ln (T)^2 – 325,684 ln (T)^3.
При сопоставлении имеющихся в литературе значений равновесной кон-
центрации со значениями, полученными по аппроксимирующей зависимости,
остаточная среднеквадратичная ошибка аппроксимации составила 0,498.
Компьютерный эксперимент
С помощью компьютерного эксперимента на основе классических
методов Рунге—Кутты и Гира изучали термокинетическую эволюцию
процессов контактного плавления и инициированного им синтеза проме-
183
жуточного соединения. Результаты расчета представлены на рис. 1, 2. Они
отражают реальную физико-химическую сущность процессов. На
термокинетической зависимости это особенно проявляется на ранних
стадиях процесса. Характерно существование латентного периода, когда
температура снижается до определенного значения, после чего возрастает.
Существование указанного периода фиксируется практически на всех
термокинетических зависимостях независимо от наличия стадии
самообострения процесса.
Полученные теоретические результаты показали синергетический
характер теплового поведения реакционной системы как следствие
конкуренции, по крайней мере, на начальной стадии, двух процессов:
плавления и растворения тугоплавкого компонента в перитектической
жидкости, происходящего с поглощением тепла, и экзотермической реак-
ции синтеза интерметаллического соединения.
При уменьшении константы скорости реакции также наблюдается
существование видимого периода рассеяния энергии в связи с превали-
рующим на первой стадии процессом растворения. При увеличении
скорости реакции синтеза отмечается существенное повышение
температуры расплава и, естественно, возрастает и концентрация титана в
нем в связи с ростом ее равновесного значения. Таким образом, можно
заключить, что, изменяя скорости процессов растворения твердого
компонента в расплаве, можно управлять термокинетическими процес-
сами в системе.
Анализ термокинетических зависимостей, полученных при определен-
ных значениях констант скоростей процессов (рис. 2), позволяет сделать
вывод о принципиально новом механизме стадии самообострения экзотер-
Рис. 1. Термокинетика начальной стадии контактного взаимодействия в системе
Тi—Al при значениях констант k1 = 1 (□), 2 (○), 3 (∆), 4 ,)(∇ 5 ),(< 6 ),(> k2 =
= 0,05 (а) и 0,1 (б).
Рис. 2. Термокинетика начальной
стадии контактного взаимодействия в
системе Тi—Al при значениях кон-
стант k1 = 1 (□), 5 (○), 7 (∆), 11 ,)(∇
17 ),(< 21 ).(> и k2 = 0,5.
а б
Т
, о
С
Т
, о
С
t, с t, c
Т
, о
С
t, с
184
мической реакции, обусловленной нелинейной зависимостью изменения
равновесной концентрации растворяющегося тугоплавкого компонента в
жидком перитектическом расплаве.
Материалы и методика натурного эксперимента
Термокинетику взаимодействия изучали на образцах из реакционных
смесей титана с алюминием. Нагрев и инициирование реакции синтеза
проводили на гелиоустановке при одностороннем лучистом нагреве со сторо-
ны торца цилиндрических образцов диаметром 10 мм и длиной 12—15 мм.
Образцы прессовали в стальной пресс-форме с двусторонним приложением
нагрузки на прецизионном механическом прессе. Гелиоустановка представ-
ляет собой параболический концентратор лучистой энергии диаметром 2 м.
Установка снабжена автоматической системой слежения за Солнцем,
обеспечивающей постоянное значение теплового потока, подводимого к
поверхности образца в течение всего эксперимента. Плотность теплового
потока регулировали, изменяя угол открытия жалюзи и расстояние до фокуса
концентратора. Значение теплового потока выбирали в зависимости от
необходимой скорости и температуры нагрева образцов. Во всех случаях
величина лучистого теплового потока не превышала 3000 кВт/м2. Хромель-
алюмелевые термопары ХА устанавливали в отверстие в глубине образца на
расстоянии 2 мм от поверхности нагрева. Регистрацию изменения темпе-
ратуры реакционной системы осуществляли с помощью быстродействующей
компьютеризированной системы записи сигналов на основе аналогового
цифрового преобразователя. Одновременно информация выводилась на
монитор в системе координат время—температура, что позволяло непо-
средственно наблюдать, а при необходимости и управлять процессом нагрева.
Экспериментальное исследование термокинетики начальной стадии
контактного взаимодействия показало, что для стадии самообострения
характерна высокая скорость реакции синтеза (рис. 3, а). При этом каче-
ственный характер термокинетики соответствует теоретическим законо-
мерностям, полученным на основе развитых модельных представлений.
Существует достаточно длительный латентный период с незначи-
тельным ростом температуры, в то время как длительность стадии само-
обострения экзотермической реакции составляет 0,32—0,35 с. Увеличение
содержания алюминия в составе реакционной смеси в соответствии со
стехиометрией TiAl 3 не влияет существенно на характер термокинетической
зависимости. Необходимо отметить, что длительность латентного периода
Рис. 3. Термокинетика начальной стадии контактного взаимодействия в системах
Ti—40Al (а) и Ti—62,7Al (б).
Т
, о
С
Т
, о
С
t, с
t, с
а б
185
может быть разной и зависит от скорости нагрева и величины теплового
потока на момент появления жидкого металла. Для более точного расчета
необходимо ввести в термокинетическую модель дополнительно величину
потока тепловой энергии. Это позволит установить зависимость
латентного периода от всех внешних и внутренних параметров процесса.
Выводы
Полученные результаты позволяют целенаправленно подойти в вопросу
создания управляемых и безопасных технологий получения сплавов, сварки
и пайки материалов, реакционного спекания и синтеза интерметаллических
соединений. Дальнейшее развитие модели позволит установить интервал
значений параметров, которые обеспечивают безопасное проведение ука-
занных технологических процессов и делают возможным решение обрат-
ных задач. А именно по экспериментальным термокинетическим зависимо-
стям установить трудно определяемые параметры процессов, например
константы скорости растворения твердых компонентов в перитектической
жидкости и константы реакций синтеза интерметаллических соединений.
1. Скороход В. В. Формирование основ термохимической кинетики гетерогенных
процессов в порошковых реагирующих системах / В. В. Скороход, В. П. Солнцев
// Порошковая металлургия. — 2009. — № 7/8. — С. 48—58.
2. Солнцев B. П. Термохимическая кинетика гетерогенных процессов в порошковых
системах различной физико-химической природы / B. П. Солнцев, В. В. Скороход,
Т. А. Солнцева // Космический вызов 21 века. Химическая и радиационная физика/
Под ред. И. Г. Ассовского. — М. : ТОРУС ПРЕСС, 2011. — Т. 4. — С. 170—174.
3. Солнцев В. П. Термокинетическая модель и механизм реакционного взаимодействия,
инициированного перитектическим плавлением / В. П. Солнцев, В. В. Скороход //
Доп. НАНУ. — 2009. — № 11. — С. 91—97.
4. Корнилов И. И. Титан. Источники, составы, свойства, металлохимия и применение. —
М. : Наука, 1975. — 310 с.
Термокінетика початкової стадії контактного плавлення
в перитектичних системах з хімічною сполукою
В. П. Солнцев, В. В. Скороход, К. М. Петраш, А. М. Шахновський
Побудовано фізико-хімічну модель процесу реакційної взаємодії, ініційованої контактним
плавленням у порошкових сумішах, з урахуванням залежності від температури
рівноважної концентрації тугоплавкого компонента в перитектичній рідині. На прикладі
реакції взаємодії в системі Ti—Al порівняно теоретичні та експериментальні
термокінетичні залежності процесу, які якісно співпадають.
Ключові слова: термокінетика, фізико-хімічна модель, контактне плавлення,
самозагострення, порошкові суміші, титан, алюміній.
Thermokinetics of initial stage of contact melting
in peritectic systems with the chemical compound
V. P. Solntsev, V. V. Skorokhod, K. N. Petrash, A. M. Shakhnovsky
The physicochemical model of the process initiated by reacting contact melting of powder
mixtures, taking into account the temperature dependence of the equilibrium concentration of
refractory component in the peritectic liquid, was built. The example of interaction in the system
Ti—Al compared theoretical and experimental dependences of thermokinetic process, which are
qualitatively the same.
Keywords: thermokinetics, physicochemical model, contact melting, powder mixtures,
self-steepening, titanium, aluminium.
|