ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 6, с. 603-615
УДК 66.03,66.08,66.022
ПОЛУЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ (СВС-ЭКСТРУЗИЯ) © 2014 г. А. М. Столин, П. М. Бажин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка
amstolin@ism.ac.ru Поступила в редакцию 03.03.2014 г.
Представлены результаты разработки процесса СВС-экструзии для получения длинномерных изделий из хрупких и труднодеформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений. В этом процессе синтез материала и формирование заготовок происходит за несколько секунд в одном технологическом цикле. Обсуждаются экспериментальные исследования реологического поведения СВС-материалов, их способности к пластическому деформированию в области высоких температур. Представлен обзор экспериментального материала по вопросам формирования структуры и свойств экструдированных СВС-материалов. Освещаются основные аспекты математического моделирования СВС-экструзии и прессования, что явилось ключом к правильному пониманию закономерностей высокотемпературного уплотнения и формования готовых изделий из продуктов горения. Даны примеры практического приложения разработанного метода СВС-экструзии для получения длинномерных изделий из новых многофункциональных материалов: композиционных керамических материалов с наноразмерными элементами структуры, материалов на основе МАХ-фазы системы титан—алюминий углерод, материалов на основе интерметаллидов.
Ключевые слова: СВС, СВС-экструзия, высокотемпературное деформирование, электрод, керамический материал, наноструктура, МАХ-фаза, интерметаллид, математическое моделирование, износостойкость.
Б01: 10.7868/80040357114060116
ВВЕДЕНИЕ
Обнаружение и изучение в шестидесятых годах XX века феномена твердофазного горения и создание новой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) позволило принципиально по-новому подойти к проблемам технологии получения изделий из тугоплавких соединений [1, 2]. Появилась возможность разработки новых методов, сочетающих процессы горения и сдвигового пластического деформирования продуктов горения с использованием тепла этой реакции. Такие методы, обеспечивающие синтез материала и получение изделий в одной установке, обещают перспективу: они экономичны, создают возможность получения изделий нужного профиля и размера с минимальной затратами материала, просты в технологическом плане. Однако, в технологии СВС (равно как и в порошковой металлургии) можно заметить следующий недостаток: в ней не нашли еще должного применения наиболее прогрессивные способы переработки, использующие полез-
ным образом сдвиговую пластическую деформацию материала, такие как экструзия, прокатка, штамповка.
До недавнего времени, пока продуктами СВС были различные порошкообразные материалы, предназначенные для дальнейшей обработки методами порошковой металлургии, достигнутый уровень физико-химического и кинетического понимания сущности СВС представлялся достаточным. В течение нескольких десятилетий внимание исследователей было сосредоточено на изучении весьма сложных структурных механизмов собственно процессов горения. Была создана новая область науки — структурная макрокинетика (СМК), основной задачей которой является изучение структуры вещества в ходе химического превращения с учетом процессов тепло- и массо-обмена [3, 4]. Однако при расширении технологических возможностей СВС обнаружилась острая необходимость в дополнении уже накопленных знаний из механики и реологии сплошных и дисперсных сред. В связи с этим возникает насто-
Р
1
Рис. 1. Схема установки по СВС-экструзии: 1 — устройство поджига, 2 — пресс-форма, 3 — пуансон, 4 — исходная шихтовая заготовка, 5 — теплоизолятор, 6 — экструдированный стержень.
ятельная необходимость создания нового направления СМК — структурной механики и реологии СВС-материалов [5—7]. Реализация любого способа получения изделий базируется на способности горячей массы синтезированного продукта к макроскопическому течению. Поэтому логично было бы совмещение СВС с процессами сдвигового деформирования называть реосинтезом (от греческого "гИео" — течь), а все секреты получения изделий необходимой формы и размеров и заданной пористости открывать на основе знаний реологического поведения продуктов СВС в высокотемпературной области [8, 9].
В 1975 г. были начаты исследования, связанные с разработкой метода, сочетающего СВС с прессованием продуктов горения [10, 11]. Низкая пористость продуктов горения в методе СВС-прессования обеспечивается воздействием на них высокого давления. Этот метод нашел широкое распространение в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН), в других организациях страны и за рубежом при получении компактных, низкопористых или беспористых материалов и изделий и на основе сложных карбидов, силицидов, боридов, карбонитридов и других композиционных материалов. Спрессованное тело при уплотнении существенно меняет свою структуру и приобретает нужные физико-механические свойства.
В 1984 г. по предложению академика А.Г. Мержанова были начаты исследования [12—14] по разработке нового технологического процесса СВС-экструзии. Сущность СВС-экструзии заклю-
чается в проведении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза целевого продукта с последующим экструдированием горячего синтезированного материала через матрицу.
Отметим, что, как в технологическом, так и в научном отношениях процессы СВС-прессова-ния и экструзии принципиально отличаются один от другого. При реализации СВС-экструзии важно решить следующие две технологические задачи: не только получить из порошков беспористый материал, т.е. уплотнить его (это главная задача СВС-прессования), но и сформовать изделие из уплотненного материала (главная задача СВС-экструзии). Для СВС-прессования характерно объемное сжатие материала, а СВС-экстру-зия обеспечивает сдвиговое деформирование материала за счет реодинамического процесса выдавливания материала через матрицу. Сейчас уже накоплено достаточно фактов для того, чтобы сделать вывод о ведущей роли сдвиговых деформационных процессов в контактных явлениях, обусловливающих взаимодействие частиц при формовании материала и получении изделия.
Целенаправленная работа фундаментальных и прикладных исследований в области СВС-экс-трузии проводилась в специально созданной в ИСМАНе лаборатории пластического деформирования материалов. При изучении этого процесса весьма эффективным оказалось сочетание экспериментальных, теоретических и технологических методов исследований. Результаты этих исследований имеют общепризнанный отечественный приоритет.
В настоящей обзорной статье перечислены основные теоретические, экспериментальные и технологические результаты исследований, выполненных сотрудниками лаборатории пластического деформирования материалов ИСМАНа. Обсуждаются итоги этой деятельности как за первый период развития СВС-экструзии (до кризиса отечественной науки в 90-е годы), так и современные результаты за второй период (последние 10 лет). Следует отметить, что по нашей информации наукоемкий процесс СВС-экструзии получения длинномерных изделий из хрупких и труднодеформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений до сих пор не реализован другими авторами в России и за рубежом.
Общая характеристика процесса СВС-экстру-зии. Как технологическая операция СВС-экстру-зия имеет вполне однозначное и четкое назначение — придание синтезированным продуктам горения определенной формы и размера путем экструдирования их через формующую матрицу (рис. 1). При этом структурообразование материала изделия происходит в условиях сдвигового высокотемпературного деформирования. Именно эта особенность метода привлекает внимание к СВС-экструзии как к процессу, в котором про-
является малоизученное свойство порошков тугоплавких неорганических соединений — способность к пластическому деформированию в области высоких температур (более 1000°C) и при сравнительно невысоких давлениях (Р < 500 МПа). Характерный температурный диапазон формования материала в процессе СВС-экструзии весьма широк: от температуры горения до температуры кристаллизации, поэтому этот метод следует отнести к горячим методам обработки давлением (T > 0.57^). Однако, сами условия проведения процесса необычны: короткие времена (1—10 с), высокие температуры и чрезвычайно большие скорости нагрева (до 2 х 104 град/с), кратковременность процесса формования изделия (~10 с). Все это обуславливает принципиальные различия в механизмах и кинетики структурообразования [7, 15]. Поэтому требуется изучать закономерности формирования химического, фазового составов и микроструктуры получаемых материалов, влияние технологических параметров СВС-экструзии на все стадии формирования изделия, а также влияние химического и фракционного состава структурных составляющих на физико-механические характеристики материалов. В связи с этим возникают новые задачи в области физического материаловедения.
Итоги первого этапа работы (условно до 1990-х годов) в области СВС-экструзии. Многочисленные исследования выполнены в направлении оптимизации режимов СВС-экструзии и схем проведения экспериментов [16—19]. В частности, была опробована схема процесса, реализующая сложный сдвиг — совмещение поступательного и вращательного движения материала. Значительное место в этих работах занимает разработка специального оборудования для этого метода. При создании установки для СВС-экструзии был использован серийный гидравлический пресс, реконструкция которого позволила расширить диапазон рабочих скоростей ползуна. Пресс снабжен блоком автоматического управления, с помощью которого задаются временные параметры процесса: время инициирования, задержки прессования и выдержки под давлением. Для определения оптимальных силовых и скоростных условий экструзии необходима регистрация параметров процесса. С этой целью установка снабжена системой измерения давления и перемещения
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.