Особенности диффузионно-контролируемых процессов управляемого объемного синтеза из порошковых смесей Ti-Al-Fe-Fe2O3
Автор: Князева А.Г., Анисимова М.А., Коростелева Е.Н.
Статья в выпуске: 3, 2022 года.
Бесплатный доступ
Экспериментально и теоретически проанализированы процессы, протекающие в смесях порошков Ti-Al-Fe-Fe2O3 при реакционном спекании (спекании порошков из химически взаимодействующих компонентов) в условиях регулируемого нагрева. В качестве одного из компонентов использованы отходы металлообработки стальных заготовок, что обусловливает актуальность исследования. Скорость нагрева варьировалась. Проанализированы возможные физико-химические стадии, их последовательность и предполагаемый фазовый состав продуктов синтеза. Несмотря на то что реакционное спекание представляет значительный интерес для получения композитных материалов, закономерности, установленные для бинарных систем, не удается в чистом виде перенести на спекание порошков более чем двух видов. Показано, что в результате многостадийного процесса формируются наборы неравновесных фаз переменного состава на основе твердого раствора α-титана. Установлено, что структуры, полученные из порошковых составов «Ti+Al+Fe» и «Ti+Al+металлическая стружка», мало чем отличаются друг от друга, несмотря на присутствие в последнем заметной доли оксидов. Представлены примеры решения частных задач, которые соответствуют возможным вариантам диффузионного взаимодействия в гетерогенной системе. Аналитические решения получены в квазистационарном приближении. Диффузионный характер изменения положения границ раздела фаз одинаков для постоянного и переменного коэффициента диффузии. Форма частицы тугоплавкого реагента слабо сказывается на динамике процесса. Дан пример расчета напряжений и деформаций в условной реакционной ячейке, когда фазы разделены подвижными границами. В квазистатическом приближении время для механической части задачи является параметром. Показано, что движущие силы диффузионного переноса могут быть связаны с локальными напряжениями, которые, в свою очередь, могут быть связаны с изменением состава.
Спекание, диффузия, фазообразование, сопряженные задачи, локальные напряжения
Короткий адрес: https://sciup.org/146282541
IDR: 146282541 | УДК: 51.7+66.08+53.06 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.13
Features of diffusion-controlled processes of regulated volumetric synthesis from powder mixtures Ti-Al-Fe-Fe2O3
Experimentally and theoretically analyzed processes occurring in mixtures of powders Ti-Al-Fe-Fe2O3 during reactive sintering (sintering from chemically interacting components) under controlled heating. As one of the components wastes of steel billets were used. This makes the study relevant. The heating rate was varied. Possible physical and chemical stages, their sequence and the assumed phase composition of the synthesis products were analyzed. Although reactive sintering has attracted considerable interest for the production of composite materials, the regularities established for binary systems cannot be purely transferred to sintering powders of more than two kinds. It is shown that the multistage process results in the formation of sets of nonequilibrium phases of variable composition based on α-titanium solid solution. The structures obtained from powder compositions «Ti+Al+Fe» and «Ti+Al+metal chips» do not differ much from each other, despite the presence of an appreciable share of oxides in the latter. The examples of particular problem solutions which correspond to the possible variants of diffusion interaction in a heterogeneous system are presented. Analytical solutions are obtained in the quasi-stationary approximation. The diffusive nature of changes in the position of interfaces is the same for constant and variable diffusion coefficients. The shape of the refractory reagent particle has little effect on the dynamics of the process. An example of calculating the stresses and strains in a conditional reaction cell when the phases are separated by moving boundaries is given. In the quasi-static approximation, the time for the mechanical part of the problem is a parameter. It is shown that the driving forces of diffusion transfer may be related to local stresses, which, in turn, may be related to changes in composition.
Список литературы Особенности диффузионно-контролируемых процессов управляемого объемного синтеза из порошковых смесей Ti-Al-Fe-Fe2O3
- Дьяконов О.М. Получение металлургических брикетов на основе стружко-порошковых композиций горячим прессованием // Литье и металлургия. – 2011. – № 4 (63). – С. 129–137.
- Переработка стружки черных металлов / С.Л. Ровин, Л.Е. Ровин, Т.М. Заяц, О.М. Валицкая // Литье и металлургия. – 2017. – № 4 (89). – С. 94–101.
- Ровин С.Л., Калиниченко А.С., Ровин Л.Е. Возвращение дисперсных металлоотходов в производство // Литье и металлургия. – 2019. – № 1. – С. 45–48.
- Formation of phases in reactively sintered TiAl3 alloy / A. Skolaková, P. Salvetr, J. Leitner, T. Lovasi, P. Novak // Molecules. – 2020. – Vol. 25. – 1912. DOI: 10.3390/molecules25081912
- Kostov A., Friedrich B., Živković D. Thermodynamic calculations in alloys Ti-Al, Ti-Fe, Al-Fe and Ti-Al-Fe // Journal of Mining and Metallurgy. – 2008. – Vol. 44 B – P. 49–61.
- Kinetic and thermodynamic description of intermediary phases formation in Ti-Al system during reactive sintering / A. Skolakova, J. Leitner, P. Salvetr, P. Novak, D. Deduytsche, J. Kopecek, C. Detavernier, D. Vojtech // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – Vol. 230. – P. 122–130. DOI: org/10.1016/j.matchemphys.2019.03.062
- Jones W.D. Fundamental principles of powder metallurgy. – London: E. Arnold LTD, 1960. – 392 p.
- German R.M. Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing, Metal Powder Industries Federation, Princeton. – NJ, USA, 2005. – 629 p.
- German R.M., Suri P., Park, S.J. Review: liquid phase sintering // J Mater Sci. – 2009. – Vol. 44. – P. 1–39. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-008-3008-0
- Reactive spark plasma sintering of exothermic systems: A critical review / A.S. Mukasyan, A.S. Rogachev, D.O. Moskovskikh, Zh.S. Yermekov // Ceramics International. – 2022. – Vol. 4. – P. 2988–2998.
- Коростелева Е.Н., Князева А.Г., Николаев И.О. Особенности фазообразования в условиях реакционного спекания с восстановительной стадией // Физическая мезомеханика. – 2022. – Т. 25, № 5. – С. 46-56. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_5_46.
- Филимонов В.Ю., Кошелев К.Б. Адиабатический тепловой взрыв в дисперсных конденсированных системах с ограниченной растворимостью реагентов в слое продукта // ФГВ. – 2013. – Т.49, № 4. – С. 91–100.
- Кошелев К.Б. Исследование процессов структурообразования и саморазогрева в бинарной порошковой смеси Ti-Al в режиме статического теплового взрыва на основе диаграммы состояния // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т. 312, № 2. – С. 44–47.
- Демидов В.Н, Князева А.Г. О выборе параметров источника для процессов закалки и поверхностной термической обработки // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2015. – Т.3, № 2. – С. 17–31.
- Князева А.Г., Поболь И.Л., Олешук И.Г. Перераспределение легирующих элементов между соединяемыми материалами в условиях изотермической пайки и сопутствующие механические напряжения // Известия вузов. Физика. – 2013. – Т. 56, № 7/2. – С. 14–24
- Любов Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. – М.: Наука, 1981. – 296 с.
- Боли Б., Уайнер Дж. Теория температурных напряжений. – М.: YOYO Media, 2012. – 512 с.
- Карташов Э.М., Кудинов В.А. Аналитическая теория теплопроводности и прикладной термоупругостию. – М.: URSS, 2018. – 656 с.
- Князева А.Г. Диффузия и реология в локально-равновесной термодинамике / под ред. П.В. Трусова. – Пермь: Перм.ГТУ, 2005. – С.45–60.
- Erde´lyi Z., Schmitz G. Reactive diffusion and stresses in spherical geometry // Acta Materialia – 2012. – Vol. 60. – P. 1807–1817.
