НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2009, том 45, № 6, с. 694-703
УДК 546, 536.4
ВЛИЯНИЕ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА СОСТАВ ПРОДУКТОВ СВС СМЕСИ NiO + Ni + Al + WC
© 2009 г. В. Н. Санин, В. И. Юхвид, А. Е. Сычев, Н. В. Сачкова, М. Ю. Ширяева
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук, Черноголовка e-mail: svn@ism.ac.ru Поступила в редакцию 19.02.2008 г.
Исследовано структурообразование жидкофазных продуктов синтеза модельной СВС-смеси термитного типа NiO + Ni + Al в условиях микрогравитации на борту МКС АЛЬФА. Выполнены сравнительные исследования микроструктуры, химического и фазового составов продуктов синтеза, сформированных на Земле и в условиях микрогравитации. В процессе наземных экспериментов основное внимание уделено поиску оптимальных составов, способных гореть при пониженном давлении с минимальным разбросом продуктов горения.
ВВЕДЕНИЕ
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) [1] имеет ряд особенностей, позволяющих рассматривать его в качестве одного из наиболее перспективных высокотемпературных процессов для использования в условиях космоса. Основными преимуществами данного процесса являются: энергетическая "самодостаточность", т. е. возможность реализации высоких температур без привлечения дополнительных источников энергии; возможность реализации в различных условиях (окислительной, инертной среде, в вакууме) и получение широкого спектра материалов (интер-металлидов, карбидов, боридов и композиционных материалов на их основе). Высокотемпературное взаимодействие для ряда СВС-систем можно отнести к быстропротекающим процессам. Поэтому первые работы по исследованию влияния микрогравитации на закономерности СВС были выполнены с использованием методов Parabolic flight [2], а затем Drop tower [3, 4]. Эти методы позволяют создавать условия микрогравитации на короткие промежутки времени (от нескольких секунд до десятков секунд). Однако продолжительность процесса структурообразования продуктов синтеза может существенно превышать время синтеза и достигать нескольких минут. Это характерно для высококалорийных СВС-систем с полным плавлением всех или части компонентов в процессе синтеза [5, 6].
Данная работа является продолжением экспериментов по СВС в условиях орбитальной космической станции [7, 8]. Целью настоящей работы является исследование структурообразования жидкофазных продуктов синтеза из модельной СВС-смеси термитного типа NiO + Ni + Al в усло-
виях микрогравитации. Для выполнения экспериментов на борту Международной космической станции (МКС) было спроектировано и изготовлено специальное оборудование [9].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Создание экспериментального оборудования.
Первые эксперименты по СВС в условиях пилотируемой космической станции были выполнены на установке "Оптизон-1" [7, 8], где поджиг образца осуществлялся при помощи теплового импульса путем концентрации светового потока на поверхности образца. Данная установка имела ряд недостатков: большие размеры и вес, высокое энергопотребление, длительность в подготовке и проведении экспериментов, сложное программирование режимов нагрева и т. д. Все это требовало затраты большого времени работы космонавта. Поэтому при планировании новых экспериментов на МКС особое внимание было уделено созданию экспериментальной СВС-установки, отвечающей всем требованиям для работы на МКС и позволяющей существенно упростить процедуру выполнения экспериментов. Новая установка включает три основных части: реакционный блок, блок коммутации и управления и космический комплекс (Telescience) для регистрации видеосигнала. Реакционный блок (рис. 1) состоит из внешнего защитного корпуса (1), внутри которого располагаются четыре независимые экспериментальные ампулы (2), две микровидеокамеры (3) и зеркальные панели (4), позволяющие проводить одной камерой запись видеоизображения сразу с двух экспериментальных ампул, имеющих прозрачные кварцевые окна (5). Такая конструкция
(a) (б)
4
(в)
4
Рис. 1. Внешний вид экспериментального блока в сборе (а), после демонтажа защитного корпуса (б) и после демонтажа экспериментальных капсул (в): 1 - защитный внешний корпус экспериментального СВС-блока, 2 - сменные экспериментальные ампулы, 3 - минивидиокамеры, 4 - зеркальная призма, 5 - кварцевые окна.
обеспечивает максимальную компактность блока, что упрощает доставку оборудования на орбитальную станцию и его возвращение после проведения экспериментов.
Выбор состава и подготовка образцов (наземные эксперименты). Реализации высоких температур (до 3500°С) при горении СВС-систем термитного типа сопровождается заметным разбросом продуктов синтеза. Это является результатом образования во фронте горения паров и низших оксидов алюминия, а также испарения примесных газов. Для подавления разброса используют гравитационное (центробежное) воздействие, повышенное давление газа в реакторе или разбавление исходной смеси инертным продуктом [5, 6].
Согласно требованиям безопасности на МКС, все высокотемпературные эксперименты должны проводиться в условиях пониженного давления.
Очевидно, что понижение давления будет способствовать интенсификации газовыделения в процессе СВС. Поэтому необходимо было подобрать экзотермический состав, способный гореть в условиях пониженного давления в стационарном режиме с минимальной величиной потери массы в процессе синтеза (минимальным разбросом) (пп) и максимальным выходом металлической фазы в слиток (Пм), рассчитываемых как: пп = [(М0 - Мк)/М0] х х 100% и пм = (Мсл/М0) х 100%, где М0, Мк - массы исходной шихты и продуктов горения, Мсл - масса слитка, полученного в эксперименте.
В работе использовали прием подбора состава путем комбинации "высокотемпературного" (NiO + + Al) и "низкотемпературного" (Ni + Al + WC) компонентов исходной смеси.
Термодинамический анализ, проведенный по программе TERMO [10], позволил оценить уровень
2
1
3
2
3
Tad, K
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
6
2
20
40 60 (Ni + Al), %
80
Рис. 2. Результаты термодинамического анализа изменения температуры горения (rad) и суммарной концентрации газовых компонентов (a;) при изменении соотношения компонентов смеси (NiO + Al)/(Ni + Al).
возможных температур горения при варьировании соотношения (NiO + Al) и (Ni + Al) (рис. 2). Увеличение доли (Ni + Al) в интервале от 0 до 50 мас. % понижает температуру горения с 2740 до 2030°С, т. е. ниже температуры плавления оксидной фазы продуктов синтеза.
По результатам предварительной наземной серии экспериментов (рис. 3), проведенной при нормальном давлении, был выявлен состав смеси: мас. 60% "горячей" и мас. 40% "холодной" составля-
U, см/с 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 (Ni + Al)
Рис. 3. Экспериментальные зависимости скорости горения (Ц), выхода металлической фазы в слиток (пм) и потерь вещества при горении (пп) от соотношения составляющих смеси (N10 + А1)/(№ + А1).
ющих. Дальнейшие эксперименты по сжиганию такого состава на СВС-установке пониженного давления показали, что в интервале давлений от 70 до 10 кПа смесь горела в стационарном режиме. При этом наблюдался рост величины разброса по мере снижения давления в реакционной камере. Во всех случаях конечные продукты образцов, сгоревших в земных условиях, имели вид слитков (рис. 46), в которых металлическая и оксидная фазы разделены на два слоя.
После оптимизации был выбран состав для проведения экспериментов в условиях космоса. Массовые доли исходных компонентов составляли: N10 - 0.370, N1 - 0.268, А1 - 0.292, - 0.07. Приготовленный состав подвергали прессованию для получения цилиндрических образцов диаметром 12.2 мм, массой 5.0 г и плотностью 2.65 г/см3. Полученные образцы оборачивали в алюминиевую фольгу (рис. 4а). Модельные вибрационные испытания, проведенные на ФГУП ЦНИИМАШ, показали, что такие образцы способны выдерживать механические перегрузки, возникающие в процессе подъема ракетоносителя.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Макроструктура космических образцов. После сжигания доставленные космические образцы были подвергнуты всестороннему анализу. Сравнительный анализ образцов, полученных в космических и земных условиях, показал, что их макроструктура заметно отличается. В условиях микрогравитации литые продукты формировались в виде отдельных (рис. 5) металлических и оксидных сфер. Это обстоятельство указывает на протекание в условиях микрогравитации процесса фазоразделения.
Известно, что в земных условиях процесс фазоразделения в продуктах горения систем термитного типа протекает в две стадии [6]:
- образование мелких (первичных) капель металлической фазы за счет сил поверхностного (межфазного) натяжения;
- осаждение капель под действием гравитационных сил и формирование слитка.
В космических экспериментах вторая стадия отсутствует. Оба процесса - формирование первичных капель и последующее разделение металлической и оксидной фаз - протекает без участия гравитационных сил, только за счет сил межфазного натяжения. Благодаря этому литые продукты горения, сформированные в условиях микрогравитации, имеют сферическую форму. Разрез сферических фрагментов космического образца показал, что все они имеют полую структуру. Толщина стенки сферы составляет от 0.4 до 0.9 мм. Формирование та-
4
0
0
Рис. 4. Внешний вид исходного образца до сжигания (а), образца после сжигания в земных условиях (б).
кой макроструктуры связано с небольшим газовыделением во фронте горения (примесные газы, низшие оксиды). В земных условиях пузырьки газа удаляются из расплава под действием гравитации. В космических условиях газ раздувает жидкий продукт в пузырь, формируя полую структуру.
Результаты рентгенофазового анализа продуктов синтеза. Сравнительный рентгенофазовый анализ металлической фазы продуктов горения, полученных в условиях микрогравитации и условиях земли, представлен на рис. 6. Видно, что основной фазой как в земных условиях, так и в условиях микрогравитации является алюминид никеля (№А1) с ОЦК-решеткой. Основные отличия выявлены в формировании карбидных фаз. Так, содержание пиков продуктов синтеза, сформированн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.