Экспериментальный комплекс для исследования динамики фазообразования алюминидов титана в реакции высокотемпературного синтеза методом дифракции синхротронного излучения

Ускорение темпов развития современного машиностроения ставит перед материаловедами задачи получения композиционных материалов и изделий многофункционального назначения, в которых обеспечение эффективных свойств достигается наличием в структуре фаз с взаимодополняющими комплексами физико-механических, химических и других характеристик. С целью достижения необходимого уровня свойств композиционный материал может применяться либо для изготовления изделия в целом, либо для защиты отдельных поверхностей, особенно подверженным деструктивным воздействиям. Эффективной технологией, открывающей широкие возможности для решения поставленных задач, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый академиком А. Г. Мержановым и его научной школой в 1967 году. Существенный вклад в развитие технологий СВС внесли школы профессоров Е. А. Левашова, Ю. М. Максимова, А. П. Амосова, В. И. Юхвида, В. В. Евстигнеева. Технологии СВС характеризуются низкими энергозатратами, простотой и дешевизной используемого оборудования, быстротой протекания процесса, чистотой синтезированного продукта.

Синтез материалов методом СВС относится к процессам твердофазного горения, и его можно проводить в двух режимах — послойное горение и тепловой взрыв. СВС в режиме теплового взрыва, хотя и требует несколько больших энергозатрат, но выгодно отличается от послойного горения, прежде всего, возможностью управления тепловой активностью реагирующей шихты посредством изменения теплофизических условий синтеза, что особенно важно в процессе вторичного структурообразования. К управляющим факторам можно отнести мощность инициирующего теплового источника, время его действия, условия теплоотвода, и т. д. Кроме того, знание критических условий теплового взрыва позволяет разграничить режим изотермического спекания и собственно теплового взрыва. Таким образом, появляется возможность управления фазовым составом конечного продукта, его полнотой превращения. Одной из основных целей технологий процессов СВС является, как правило, получение однофазного продукта. Необходимо заметить, что к настоящему времени этот вопрос малоизучен. Отсутствуют конкретные рекомендации по проведению режима срштеза в той или иной бинарной или многокомпонентной системе.

Одним из наиболее перспективных направлений, которые достаточно успешно развиваются в мире, в области новых металлических материалов с высоким уровнем жаростойкости и термической стабильности, является создание интерметаллидных соединений системы Ti-Al и усовершенствование технологии их получения. Эти соединения в ближайшем будущем могут составить серьезную конкуренцию соединениям на основе алюминидов никеля. Так как алюминиды титана более легкие, не требуют для легирования дорогостоящих и дефицитных элементами, а значит более дешевые, обладают высокой коррозионной стойкостью, стойкостью к высокотемпературному окислению, модулем упругости, прочностью (предел прочности при 1200 °C более 100 МПа и при 1500 °C более 50 МПа). Таким образом, алюминиды титана могут быть с успехом использованы, например, в качестве жаростойких покрытий на лопатках газотурбинных двигателей, подвергающихся воздействию высокотемпературных газовых потоковв качестве присадочного материала при дуговой сварке, в качестве конструкционного материала, работающего при статических нагрузках и больших температурах переплава, для получения сплавов Ti-Al.

В то же время на сегодняшний день отсутствует ясное понимание механизмов структурообразования в данной системе. Для решения этой проблемы необходимы надежные методы диагностики, которые бы позволяли иметь представление о динамике развития процесса структурообразования. Структура исходных материалов быстро изменяется с возникновением продуктов СВС реакции, сопровождаемой высоким тепловыделением, большими температурами, короткими временами фазообразований. Скоротечность процесса СВС обуславливает разработку соответствующих экспериментальных методов исследования динамики трансформации исходных компонентов. В последние десятилетия с развитием электроники, техники, рентгеновской оптики совершенствуются синхротронные накопители, детектирующие устройства, позволяющие активно использовать метод динамической рентгенографии с высоким временным разрешением — «дифракционное кино». Применительно в СВС реакции такой подход позволяет регистрировать непосредственно в процессе синтеза последовательность рентгенограмм, отражающих процесс фазообразования. Идею использования рентгеновского кино предложил академик А. Г. Мержанов в семидесятые годы XX века. Но реализовать идею оказалось весьма сложно. Впервые в России такие уникальные эксперименты с использованием синхротронного излучения (СИ) были реализованы в Институте ядерной физики и в Институте химии твердого тела (г. Новосибирск) авторским коллективом (В.В. Александровым, В. В. Болдыревым, Н. З. Ляховым, Б. П. Толочко, М. А. Корчагиным и другими).

Достоинствами применения метода «дифракционного кино» по сравнению с другими методами рентгеноструктурного анализа являются: большая скорость регистрации дифракционных картин, позволяющая производить регистрацию быстропротекающих процессовбольшая интенсивность СИ, позволяющая работать с отраженным пучкомвысокое пространственное и временное разрешение детектора, обеспечивающие в совокупности высокую точность измерений.

Работа выполнялась в рамках ГК № 02.513.11.3365 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы».

Исходя из вышеизложенного, цель работы заключается в создании экспериментального комплекса для изучения в режиме реального времени динамики фазообразования при тепловом взрыве в СВС—реакции с использованием метода дифракции СИ.

В процессе выполнения работы, решались следующие задачи:

1. Создание экспериментального комплекса для изучения динамики фазообразования в процессах СВС в режиме теплового взрыва в системе Ti-Al.

2. Создание автоматизированного многоканального цифрового прибора для регистрации температуры компонентов шихты и управления работой детектора СИ ОД-3 во время проведения СВС.

3. Разработка методики для исследования изменения положения дифракционных максимумов от температуры элементов Ti и А1 и их соединений стехиометрии TiAl и TiAl3, полученных методом СВС.

4. Экспериментальное исследование изменения положения дифракционных максимумов от температуры алюминидов титана. Сравнение экспериментальных данных с расчетными.

Положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментальный комплекс для регистрации динамики фазообразования в процессе СВС в режиме теплового взрыва с использованием СИ.

2. Многоканальный цифровой прибор для измерения температуры в процессе СВС в режиме теплового взрыва, позволяющий автоматизировать управление работой детектора СИ ОД-3 при проведении эксперимента.

3. Методика и результаты расчета изменения положения дифракционных максимумов от температуры в процессе реакции СВС.

4. Результаты регистрации динамики фазообразования моноалюминидов титана в процессе реакции СВС в режиме теплового взрыва с использованием СИ.

Научная новизна работы:

1. Разработан и создан экспериментальный комплекс, позволяющий автоматически производить регистрацию дифракционных максимумов при достижении заданной температуры исследуемого материала в реакции СВС в режиме теплового взрыва с использованием метода динамической дифрактометрии СИ, а так же температуры шихты в реальном масштабе времени.

2. Получены дифрактограммы в виде «дифракционного кино», соответствующие этапам первичного и вторичного структурообразования в процессе СВС в режиме объемного теплового взрыва, для системы Ti—А1.

3. Разработана методика и определены коэффициенты изменения положения дифракционных максимумов от температуры при протекании реакции СВС для элементов Ti и А1 и их соединений стехиометрии TiAl и TiAl3, позволяющие существенно повысить достоверность расшифровки дифрактограмм.

Практическую значимость имеет:

1. Экспериментальный комплекс для изучения динамики процессов фазообразования в режиме теплового взрыва с использованием метода динамической дифрактометрии в пучках СИ, который может быть применен и для других СВС систем.

2. Многоканальный цифровой прибор измерения температуры, позволяющий автоматизировать управление работой детектора СИ ОД-3 при проведении эксперимента, а так же регистрировать, наблюдать, сохранять на ЭВМ полученную информацию в реальном масштабе времени. Прибор может использоваться в задачах по регистрации температурных полей в различных средах, где возможно применение термопар.

3. Методика расчета изменения межплоскостного расстояния от температуры и расчет поправочных коэффициентов для температурного дрейфа дифракционных пиков, которая может применяться для различных СВС систем.

Достоверность и обоснованность результатов определяется адекватным применением теории измерений, теории погрешностей, теории цифровой обработки сигналов, применением стандартных приборов, воспроизводимостью полученных результатов.

Методы исследования. В диссертационной работе использован метод динамической дифрактометрии, термопарный метод измерения температуры, методы математической статистики и обработки экспериментальных данных.

Апробирование результатов работы осуществлялась на международных научно-практических конференциях (г. Волгоград, 2007, г. Барнаул, 2007), докладывались и обсуждались на Южно-Сибирском объединенном физическом семинаре Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в планировании экспериментов, создании экспериментального комплекса и приборов, проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных результатов.

Структура и основное содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и библиографического списка, включающего 110 наименований. Общий объем диссертации 138 страниц. Работа содержит 58 рисунков, 3 таблицы.

Основные выводы и результаты работы.

1. Создан экспериментальный комплекс, позволяющий производить регистрацию динамики фазообразования при тепловом взрыве в СВС системах с использованием метода дифракции СИ на базе накопителя ВЭПП-З и станции 5-Ь «Дифракционное кино» ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера г. Новосибирск, состоящий из: специализированного реактора с контролируемым, однородным распределением температур по всему реакционному объему до 900 °C, имеющего щель в верхней торцевой крышке для беспрепятственного проникновения пучка СИ на поверхность исследуемого материала;

— автономной вакуумной системы, с возможностью плавной регулировки разрежения до 104Па в камере, имеющей два бериллиевых окна прозрачных для пучка СИмногоканального цифрового прибора, позволяющего производить регистрацию температуры в реакционном объеме с помощью термопар в реальном масштабе времени с точностью ±-1°С;

— источника питания реактора с плавной регулировкой выходного напряжения до 100 В.

2. Разработан и создан многоканальный автоматизированный цифровой прибор для регистрации температуры компонентов шихты во время проведения СВС в режиме теплового взрыва, позволяющий программно производить запуск станции 5-Ь для регистрации дифракционных максимумов при достижении заданной температуры исследуемого материала. С использованием разработанного прибора в составе комплекса, метода динамической дифрактометрии, установлено, что этап первичного структурообразования начинается при температуре шихты ~850°С, изменения в структуре исходных компонентов происходят за короткий промежуток времени, установлена четкая граница начала фазовых превращений продолжительностью 1—2с.

3. Впервые с использованием метода динамической дифрактометрии в пучках СИ произведена регистрация динамики фазообразования на этапе первичного и вторичного структурообразования при синтезе соединений TiAl и TiAl3 в режиме объемного теплового взрыва без выдержки и с выдержкой температуры шихты на этапе вторичного структурообразования.

4. Эксперименты по регистрации динамики фазообразования алюминидов титана позволили установить границы фазовых превращений для исследуемых соединений в реакции высокотемпературного синтеза, что дает возможность для идентификации фаз во время СВС — процесса.

5. Установлено, что в процессе изменения температуры системы происходит смещение дифракционных максимумов для Ti, Al, TiAl и TiAl3. Разработана методика расчета поправочных коэффициентов для их положений, что позволяет повысить достоверность расшифровки дифрактограмм. Произведено сравнение экспериментальных данных с расчетными в интервале температур 20−150СГС, по критерию Пирсона (0,98).

6. Определены коэффициенты изменения положения дифракционных максимумов от температуры для Ti, Al, TiAl, TiAl3 в интервале 20−660°С в исследуемом угловом диапазоне 20=55−85 градусов (здесь кг©- - коэффициент для угла 20 при температуре 20°С):

— для Ti коэффициент k77,3 = -0,0007°С~1, коэффициент к76)2 = -0,0006оС" ', коэффициент k70,6 = -0,0005 «С» 1, коэффициент кб2,9 = -0,0005″ С" 1;

— для А1 коэффициент к82,4 = -О^О^С" 1, коэффициент к782 = -0,0017оС" 1, коэффициент кб5,1 = -0,0013 «С» 1;

— для TiAl коэффициент к$ 5)4 = -О^ООбХ" 1, коэффициент к55)5 = -0,0005°С" 1;

— для TiAl3 коэффициент к82,2 = -0,0012″ С'1, коэффициент k74j9 = -0,0008°С" 1, коэффициент к68)8 = -0,0004°С" 1, коэффициент кб4>9 = -0,0008°С" '.

Автор выражает благодарность Евстигнееву Владимиру Васильевичу, Яковлеву Владимиру Ивановичу, Еськову Александру Васильевичу, Филимонову Валерию Юрьевичу за помощь в проведении физических экспериментов и в оформлении диссертационной работы.