В Складова ентиляційні отвори

запалювальна суміш порошків (ТІ+2В) / —. Г.гаГоіГ'¹

ел ектрошіал юва л ьн н н £ окисел цирконію в іериах пристрій 0 поліетилен

Рис. 7.26. Установка динамічного

СВС-компактування карбідів

Мікроскопічно неоднорідні системи являють собою новий клас матеріалів. Утворення макронеоднорідних структур при СВС було відомо вже давно, оскільки при найперших експериментах по горінню матеріалів в азоті спостерігалося утворення неоднорідних продуктів (через режими поверхневого горіння). Однак на початкових етапах досліджень утворення таких матеріалів уважалося просто невдачею експерименту, а самим матеріалам не надавалося ніякого значення.

Уперше макронеоднорідні структури були цілеспрямовано отримані в досвідах по нанесенню СВС-покритгів і СВС-сварки тугоплавких деталей. Пізніше дослідники навчилися одержувати, багатошарові матеріали силовим СВС-компактуванням (при якому шари з різних речовин, накладені один на одного, піддаються після згоряння ущільненню). В останні роки бурхливий розвиток одержали так звані функціонально-градієнтні матеріали (ФГМ), що мають велике практичне значення.

Методи, використовувані при одержанні матеріалів цього типу, досить різноманітні й містять у собі СВС і тепловий вибух з наступним динамічним компактуванням і, при необхідності, підведенням зовнішньої енергії; СВС- лиття й СВС-наплавку; СВС-електрозварювання й газотранспортне нанесення покриттів.

Гаго подібний Аг. N, П ристрі й високого тиску

шихта-нальне - Si окислювач -N* комиактована шихта ФГМ: Сгз Сі + (СгзСг+ т вага%, М) + Гг, Сі три шари с їв = 25,50 та 25

■ ‘ 1000 напруження

500 _в - -5Яв МРі

напруження

0 1 2 3 4 (*•*»)

Відстань від поверхні плита

Miyamoto і ін. [64] запропонували новий метод одержання функціонально-градієнтних матеріалів з низькокалорійних вихідних сумішей, при якому використовується комбінація технологій СВС і НІР (гаряче ізостатичної пресування). Використовуючи принципово нову ідею "хімічної печі", запропоновану для СВС-технологій Масловим і Боровинськой в 1974 р. [65], Міуатоіпро спроектував новий тип хімічної печі для проведення процесів спалювання порошків кремнію в азоті під високим тиском (рис. 7.27). Тепловиділення при хімічній реакції витрачаються на нагрівання НІР- контейнера з розміщеною в ньому шихтою, що забезпечує більше повне спікання. У такій системі процес СВС відбувається тільки в хімічній печі, а гаряче пресування застосовується, в основному, для спікання хімічно інертних порошків. Miyamoto показав високу ефективність пропонованого методу й гарні перспективи його практичного використання. Електроенергія в процесі не затрачається, використовувану кремнієву сировину дуже дешево (відходи, вартістю 1 долар за кілограм), Si₃N₄ може бути використане для виробництва вогнетривів абразивів, а одержувані функціонально-градієнтние матеріали мають високу повноту компакгування. На рисунку 7.28 показаний розподіл змісту нікелю й твердість по Віккерсу по глибині одержуваних таким метолом градієнтних пластин. Наведені дані свідчать, що асиметрії вихідної структури фактично зберігається й після спікання.

Hv(GPa) См (обьеші.%) <Т_Л(МР*) залишкове

Рис. 7.28. НІР-спікання в СВС-печі: розподіл концентрації у ФГМ при різних співвідношеннях інгредієнтів для СГзС₂/№/СгзС₂.

термообиобкою

(кінцева "сендвіч" - струкіура)

нрнготування початково! "сендвіч" - «груктурн

і металів і . Ш^е.

Схема експерсмснта

. Тиск? СВС-реакцт

отримання in situ виробів гаданої форми ї КОМПОЗИТ}' м еталл-і итерметялід

приготування шаруватої структури -» підігрів-»

-> (СВС-реакція + тепловиділення + компактування) охолодження

Рис. 7.29. Приготування багатошарового композиційного типу метал-інтерметалід

Можна привести ще один приклад, пов'язаний зі створенням так званих метал-інтерметалевих композитів. Для одержання таких матеріалів Rawers і його співробітники [66] використовували замість порошків фольгу. Вони готували багатошарові структури, у яких, як показано на рисунку 7.29, шари фольги з різних металів (нікель, титан, залізо або сталь) перекладалися алюмінієвою фольгою. Отримані зразки (зі структурою типу "сендвіч") містилися в індукційну піч і нагрівалися до крапки плавлення алюмінію, після чого в них здійснювалася СВС-реакція (звичайно, очевидно, у режимі виродженого теплового вибуху). Остаточно структура формувалася при додатку різних динамічних навантажень.

Експерименти Rawers в аналогічні згаданими вище роботам Shteinberg- Munir - на кінетичних особливостях процесу. Різниця обумовлена тільки методами ініціювання реакції й режимами її протікання. Крім того, у роботах Rawers увага сфальцьована на матеріалознавських аспектах завдання, а в роботах Shteinberg-Munir - на кінетичних особливостях процесу.

На рисунку 7.30 представлена фотографія перетину багатошарового зразка, на якій чітко виділяються шари, що чергуються, нікелю й аломініду нікелю. Причому в системі відсутній процес, що титрував алюміній. Інтерметалевий шар, утворюючийся в результаті реакційної дифузії, є багатофазним, і його фазовий состав міняється в процесі відпалу. Автори виявили втрату алюмінію внаслідок "видавлювання" його розплаву при стиску багатошарової структури. Саме таким видавлюванням пояснюються аномальні залежності загальної товщини шару, що утвориться, продуктів від товщини фольги.

Деякі результати (для системи Nf+АП

NlAkNbAlpNiAl,

ШАІ, Ni_sAl₃

d - товщина шару в початковаму "сендвіч d'-товтина шару в початковому продукті

Товщина фальш d, мм

* 0,3 •6

І

1,0,2*

І

Я

I

Типова фотографія структури продукту

Фатовий складі

після синтезу піс.чи відпалу (Ш0°С, 50 чаео»)

Т

о,і

4'н ⁺ (продукт.)

~~ <ГІЇІ (продукт) ІЩроіукм)

0,3

і

0,5

0,!

Рис. 7.30. Приготування багатошарових композитів типу метал-інтерметалід

Ohianagi зі співробітниками [67] запропонували використовувати хімічну піч із сумішшю титана й сажі, у якій методом СВС ініціюється взаємодія між вуглецевим блоком і нанесеним на нього кремнієм (рис. 7.31). Після проведення процесу й охолодження печі вуглецевий блок виявляється покритим тонким шаром карбіду кремнію (з товщиною біля 2-10 мкм). Практичною метою цієї роботи є захист вуглецю від окислювання при високих температурах. Кінетичні криві окислювання графіту підтверджують високу ефективність цього методу.

У цілому, дослідження макронеоднорідних матеріалів являють собою один із самих перспективних напрямків у розвитку СВС. Уже досягнуті значні успіхи, але, на мою думку (звичайно, воно може бути й помилковим), пророблена робота усе ще є недостатньою. Багато експериментів, цікаві за задумом і експериментальною методикою, не дають достатньої інформації про механізми процесів, особливо відносно масопереносу реагентів і продуктів.

Крім цього, найчастіше експерименти не мають конкретної спрямованості й не мають на увазі практичного використання, результатів.

Нагрівам (графі­това «річ­ка) запалю­вальна пігулка ь

подвійне

покриття

одинарне

наклеєний шар

горюча

суміш

(Ті+С)

п

0 . . 50

час термічної обробки (годин)

ористий графітовий тигель

Рис. 7.31. Нанесення покриття з SiC на вуглецевий блок методом СВС

Для подальшого розвитку дослідженні макронеоднорідних структур і реалізації перспектив цього напрямку, нам необхідно, насамперед, ясне розуміння завдань і вимог сучасної техніки.