The effect of cobalt content and mechanical activation on combustion in the Ni + Al + Co system

封面

如何引用文章

全文:

详细

The effect of mechanical activation (MA) and cobalt content on the combustion velocity and maximum combustion temperature, elongation of samples during synthesis, the size of composite particles of the mixture after MA, phase composition and morphology of combustion products in the Ni + Al + Co system is investigated in this work. Activation of the Ni + Al + xCo mixture allowed the samples to burn at room temperature, with a cobalt content of up to 50 wt. %. An increase in the cobalt content in Ni + Al + xCo mixtures led to a decrease in the size of composite particles after MA, elongation of product samples and the maximum synthesis temperature. After MA, the elongation of the product samples and combustion velocity increased many times, the maximum synthesis temperature increased. With an increase in the cobalt content in the Ni + Al + Co mixture, combustion velocity first increases (at 10% Co), then decreases. Solid solutions based on NiAl and Ni3Al intermetallides were synthesized by the SHS method.

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Система Ni + Al широко используется для получения композитных материалов [1]. Эти материалы характеризуются высокой коррозионной стойкостью и теплопроводностью, а также прочностью при повышенных температурах [2, 3].

Для получения композитных материалов часто применяют метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [4]. Интерметаллиды на основе алюминида никеля получают методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), порошковой металлургии, и механосинтеза [5–7]. Многие работы посвящены СВС в системе Ni + Al c дополнительным элементом или фазой в составе, которые добавляются для улучшения эксплуатационных характеристик получаемых материалов [7–14].

Кобальт является одним из возможных кандидатов среди металлов на использование в качестве добавки для улучшения свойств материала на основе NiA. Система Ni + Al + Co привлекательна с точки зрения широкого выбора различных комбинаций фаз (γ + β, γ ′ + β, γ + γ ′ + β, γ + γ ′), где за счет интерметаллидов β (Ni, Co)Al и γ ′ (Ni, Co) ‧ 3Al можно получить сочетание низкой плотности, высокой жаростойкости и прочности, а γ-твердый раствор (Co, Ni) придает пластичность всей композиции. Исследования различных сплавов на основе системы Ni + Al + Co показали, что приемлемые пластичность и прочность можно получить в сплавах со структурой β/γ ′/(Co, Ni), модифицированных титаном и бором [15, 16]. В системе Ni + Al + Co получают сплавы с памятью формы [17–19], также сплавы Гейслера [13].

Популярным методом изменения реакционной способности порошковых смесей является механическая активация (МА) [7, 8, 11, 12, 20, 21]. Описаны случаи реализации процесса горения после МА в порошковых смесях, не горящих в обычных условиях [21].

Цели данной работы – исследование СВС в системе Ni + Al + Co и изучение влияния механической активации и содержания кобальта на процесс горения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовался порошок алюминия марки АСД-4 (средний размер частиц – 10 мкм), карбонильный никель марки ПНК (средний размер частиц – 10 мкм) и порошок кобальта марки ПК-1у с размером частиц менее 71 мкм.

Смеси порошков Ni + Al + xCo готовились при перемешивании исходных компонентов в фарфоровой ступке в заданном количестве (значение х менялось от 0 до 60 мас. %).

Механическая активация смесей осуществлялась в механоактиваторе АГО-2 с водяным охлаждением при ускорении 90g в воздушной атмосфере. В качестве размольных тел использовали стальные шары диаметром 9 мм. Продолжительность МА составляла 5 мин, соотношение массы шаров к массе смеси в барабанах активатора – 20 : 1.

Для исследования горения из активированных и исходных смесей прессовались цилиндрические образцы высотой 1.4–1.5 см и диаметром 1 см. Значение давления прессования образцов составляло 100 кг/см2 для исходных смесей и 105–115 кг/см2 для активированных. Масса образцов увеличивалась от 3.2 до 4.2 г с ростом содержания кобальта в составе смеси для поддержания относительной плотности образца в интервале 0.55–0.58.

Процесс СВС осуществлялся в камере постоянного давления в инертной среде аргона при давлении 760 Торр [7, 8, 11, 12, 21]. Процесс горения инициировался через поджигающую таблетку состава Ti + 2B с верхнего торца образца нагретой вольфрамовой спиралью для обеспечения стабильных условий зажигания. Максимальная температура синтеза измерялась вольфрам-рениевой термопарой ВР5/ВР20 с толщиной спая 0.2 мм. Термопара вводилась с нижнего торца образца по его оси на 4 мм. При покадровом просмотре видеозаписей определялась скорость горения образцов. За относительное удлинение сгоревших образцов принималось отношение их высоты к высоте исходных образцов.

Каждое значение максимальной температуры, скорости горения и относительного удлинения образцов определялось как среднее по результатам нескольких экспериментов и имело погрешность в пределах 10%. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили с использованием дифрактометра “Дрон-3” на CuKα-излучении. Фракционный состав и распределение частиц смеси по размеру определяли по стандартной методике на лазерном анализаторе “Микросайзер-201C”. Погрешность измерений не превышала 1.2 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рентгенофазовый анализ активированных смесей Ni + Al + xCo показал, что в процессе МА продолжительностью 5 мин формирование новых фаз не происходит. Во всем исследованном диапазоне значений х на рентгенограммах активированных смесей наблюдались пики, соответствующие всем исходным компонентам – Ni, Al и Co (рис. 1).

 

Рис. 1. Результаты РФА активированных смесей Ni + Al + xCo при х = 10 (а)и 50 мас. % (б). Цифрами обозначены рефлексы пики следующих фаз: 1 – Ni, 2 – Al, 3 – Co.

 

Предыдущие исследования показали, что в процессе активации порошковых смесей металлов исходные частицы деформируются, разрушаются и агломерируются [7, 11, 12, 20–22]. С увеличением содержания кобальта в смеси Ni + Al + + xCo уменьшается количество пластичного алюминия, что ухудшает агломерирование частиц исходных компонентов в процессе МА. В результате можно видеть, что средний размер композитных частиц, образовавшихся в процессе активации смеси Ni + Al + xCo, уменьшается с увеличением содержания кобальта в смеси (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц активированной смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта.

 

Образец из исходной смеси Ni + Al сгорел полностью. При этом скорость горения составила 0.5 см/с, максимальная температура горения – 1500 °С, относительное удлинение образца продуктов – 7%. Образцы из исходной смеси горят в нестационарном режиме, когда стадия депрессии сменяется быстрым сгоранием прогретого слоя вещества, образовавшегося на стадии депрессии. При сгорании прогретого слоя температура горения превышает адиабатическую температуру горения [23]. При внимательном рассмотрении внешнего вида сгоревшего образца из исходной смеси Ni + Al, видно, что он состоит из чередующихся слоев продукта, разделенных поперечными трещинами, которые образовались в момент вспышки за счет выхода примесных газов (рис. 3а). При добавлении в исходную смесь 10 мас. % кобальта образец не догорал до конца, сгорал лишь небольшой его фрагмент, после чего горение прекращалось. Фотографии образцов продуктов горения исходной смеси Ni + Al и частично сгоревшего образца из смеси Ni + Al + 10%Co представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Фотографии образцов продуктов горения исходной смеси Ni + Al (а) и частично сгоревшего образца из смеси Ni + Al + 10%Co (б).

 

Механическая активация смесей Ni + Al + xCo позволила реализовать горение прессованных образцов. Предельное содержание кобальта, при котором образцы из активированных смесей Ni + Al + xCo сгорали полностью при комнатной температуре, составило 50 мас. %. При содержании кобальта в МА-смеси 60 мас. % образцы не горели при заданных условиях.

После МА многократно возросли скорость горения и удлинение образцов продуктов (рис. 4, 5). Кроме того, увеличилась максимальная температура горения образцов (рис. 6).

 

Рис. 4. Зависимость скорости горения образцов из исходной (○) и активированной (■) смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта.

 

Рис. 5. Зависимость относительного удлинения сгоревшего образца от содержания кобальта из исходной (○) и активированной (■) смеси Ni + Al + xCo.

 

Рис. 6. Зависимость максимальной температуры горения образцов из исходной (○) и активированной (■) смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта.

 

Удаление диффузионных затруднений и возрастание площади контакта между компонентами активированной смеси приводят к увеличению скорости горения после МА. Это факт отмечался ранее при горении системы Ni + Al c добавками различных металлов [11, 12].

Удлинение образца продуктов в ходе синтеза происходит из-за выделения примесных газов за фронтом горения [11, 12, 21, 24, 25]. В процессе МА в активируемую смесь вносятся дополнительные примесные газы, что приводит к возрастанию удлинения образцов продуктов синтеза смесей [26–28].

Зависимость скорости горения образцов из активированной смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта имеет максимум при х = 10 мас. % (рис. 4). Вероятно, при добавлении в смесь Ni + + Al 10 мас. % кобальта преобладающим над уменьшением теплового эффекта реакции фактором является сокращение количества выделяющихся при горении примесных газов. При возрастании содержания кобальта в смеси уменьшается температура горения (рис. 6) и, соответственно, количество выделяющихся при синтезе примесных газов. В соответствии с конвективно-кондуктивной моделью горения уменьшение давления примесных газов, выделяющихся перед фронтом горения, приводит к увеличению скорости горения [29]. Другим возможным обьяснением уменьшения скорости горения при увеличении количества примесных газов, выделяющихся перед фронтом горения, является уменьшение теплопроводности образца в зоне прогрева за счет разрыхляющего действия примесных газов [30].

При дальнейшем возрастании содержания кобальта в смеси Ni + Al (более 10 мас. %) доминирующим фактором является уменьшение теплового эффекта реакции из-за уменьшения максимальной температуры горения (рис. 6), что приводит к снижению скорости горения образов (рис. 4). Удлинение образцов продуктов синтеза активированных смесей Ni + Al + xCo уменьшается из-за снижения количества выделяющихся при синтезе примесных газов с увеличением содержания кобальта (рис. 5).

Согласно результатам РФА на рентгенограммах продуктов горения активированных смесей Ni + + Al + хCo наблюдаются пики твердого раствора на основе интерметаллида NiAl, в котором часть атомов никеля замещено атомами кобальта. При содержании в смесях кобальта 30 мас. % и более на рентгенограммах продуктов синтеза наблюдаются пики еще одной фазы – твердого раствора на основе интерметаллида Ni3Al (рис. 7).

 

Рис. 7. Результаты РФА продуктов горения активированных смесей Ni + Al + xCo при х = 10 (а), 30 (б) и 50 мас. % (в). Цифрами обозначены пики следующих фаз: 1 – твердый раствор NiAl(Co), 2 – твердый раствор Ni3Al(Co).

 

После МА образцы из смесей Ni + Al + хCo сгорали в стационарном режиме значительно быстрее, чем образцы из неактивированной смеси. Поперечные трещины на образцах продуктов МА-смесей не наблюдались (рис. 8). В процессе активации в обрабатываемую реакционную смесь вносятся дополнительные примесные газы. Выделение этих газов при горении образцов из активированных смесей приводит к образованию высокопористых и непрочных продуктов реакции из слабоспеченных сохранившихся частиц [11, 12, 22].

 

Рис. 8. Фотографии образцов продуктов горения активированных смесей Ni + Al + xCo при х = 10 (а), 20 (б), 30 (в), 40 (г), 50 мас. % (д).

 

Результаты данной работы могут быть использованы при получении интерметаллидов в системе Ni + Al + Co.

ВЫВОДЫ

  1. Механическая активация смесей Ni + Al + + хCo позволила реализовать горение образцов без предварительного подогрева.
  2. С увеличением содержания кобальта уменьшаются размер композитных частиц, максимальная температура и удлинение образцов продуктов горения МА-смесей Ni + Al + хCo.
  3. После активации многократно увеличиваются скорость горения и удлинение образцов продуктов, а также возрастает температура горения.
  4. Зависимость скорости горения МА-смесей от содержания кобальта немонотонна: имеет максимум при содержании кобальта 10 мас. %.
  5. Синтезированы твердые растворы на основе интерметаллидов NiAl и Ni3Al.

Авторы работы признательны М.Л. Бусуриной за определение среднего размера композитных частиц активированных смесей.

×

作者简介

N. Kochetov

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: kolyan_kochetov@mail.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

I. Kovalev

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: kolyan_kochetov@mail.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

参考

  1. S. C. Kelly, N.N. Thadhani, J. Appl. Phys. 119, 95903 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4942931
  2. Yu. S. Pogozhev, V. N. Sanin, D. M. Ikornikov, et al., Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 25 (3), 186 (2016). https://doi.org/10.3103/S1061386216030092
  3. V. N. Sanin, D. M. Ikornikov, D.E. Andreev, et al., Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 23 (4), 232 (2014). https://doi.org/10.3103/S1061386214040098
  4. B. S. Seplyarskii, N. I. Abzalov, R. A. Kochetkov, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 15 (2), 242 (2021). https://doi.org/10.1134/S199079312102010X
  5. C. Suryanarayana, Prog. Mater. Sci. 46, 1 (2001).
  6. J. Wang, J. Alloys Compd. 456, 139 (2008).
  7. N. A. Kochetov, B. S. Seplyarskii, Russ. J. Phys. Chem. B 16 (1), 66 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122010079.
  8. N. A. Kochetov, A. E. Sychev, Combust. Explos. Shock Waves 56 (5), 520 (2020). https://doi.org/10.1134/S0010508220050020
  9. H. Zoz, H. Ren, InterCeram: Int. Ceram. Rev. 49 (1), 24 (2000).
  10. Сh-K. Lin, Sh-Sh. Hong, P-Y. Lee, Intermetallics 8 (9–11), 1043 (2000). https://doi.org/10.1016/S0966-9795(00)00039-X
  11. N. A. Kochetov, Russ. J. Phys. Chem. B 16 (4), 621 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122040078
  12. N. A. Kochetov, Combust. Explos. Shock Waves 58 (6), 665 (2022). https://doi.org/10.1134/S0010508222060041
  13. T. Graf, C. Felser, S. S. P. Parkin, Prog. Solid State Chem. 39 (1), 1 (2011). https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001
  14. W. Lin, A. J. Freeman, Phys. Rev. B. 45 (1), 61 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.45.611992
  15. Y. Kimura, S. Miura, T. Suzuki, et al., Mater. Transact. 35 (11), 800 (1994). https://doi.org/10.2320/matertrans1989.35.800
  16. Y. Kimura, E. H. Lee, C.T. Liu, Mater. Transact. 36 (8), 1031 (1995). https://doi.org/10.2320/matertrans1989.36.1031
  17. Y. Tanaka, T. Ohmori, K. Oikawa, et al., Mater. Transact. 45 (2), 427 (2004). https://doi.org/10.2320/matertrans.45.427
  18. K. Oikawa, T. Ota, F. Gejima, et al., Mater. Transact. 42 (11), 2472 (2001). https://doi.org/10.2320/matertrans.42.2472
  19. J. Liu and J. G. Li, Mater. Sci. Eng. A. 454-455, 423 (2007). https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.085
  20. M. A. Korchagin, Combust. Explos. Shock Waves 51 (5), 578 (2015). https://doi.org/10.1134/S0010508215050093
  21. N. A. Kochetov, B. S. Seplyarskii, Combust. Explos. Shock Waves 56 (3), 308 (2020). https://doi.org/10.1134/S0010508220030077
  22. N. A. Kochetov, B. S. Seplyarskii, Russ. J. Phys. Chem. B 17 (2), 381 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123020082
  23. A. S. Rogachev, A. S. Mukas’yan Combustion for the Synthesis of Materials: An Introduction to Structural Macrokinetics. Moscow: Fizmatlit (2012). [in Russian].
  24. O. K. Kamynina, A. S. Rogachev, A. E. Sytschev, et al., Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 13 (3), 193 (2004).
  25. O. K. Kamynina, A. S. Rogachev, L. M. Umarov, et al., Combust. Explos. Shock Waves, 39 (5), 548 (2003), https://doi.org/10.1023/A:1026161818701
  26. N. A. Kochetov, Combust. Explos. Shock Waves 57 (6), 663 (2021). https://doi.org/10.1134/S0010508222060041
  27. S. G. Vadchenko, Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 25 (4), 210 (2016). https://doi.org/10.3103/S1061386216040105
  28. S. G. Vadchenko, Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 24 (2), 90 (2015). https://doi.org/10.3103/S1061386215020107
  29. B. S. Seplyarskii, Dokl. Phys. Chem. 396 (4–6), 130 (2004).
  30. A. S. Rogachev, Combust. Explos. Shock Waves 39 (2), 150 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1022956915794

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Results of X-ray phase analysis of activated mixtures Ni + Al + xCo at x = 10 (a) and 50 wt.% (b). Numbers indicate the peak reflections of the following phases: 1 – Ni, 2 – Al, 3 – Co.

下载 (98KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Dependence of the average particle size of the activated mixture Ni + Al + xCo on the cobalt content.

下载 (74KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Photographs of samples of combustion products of the initial Ni + Al mixture (a) and a partially burned sample of the Ni + Al + 10%Co mixture (b).

下载 (107KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Dependence of the combustion rate of samples from the initial (○) and activated (■) mixture of Ni + Al + xCo on the cobalt content.

下载 (78KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Dependence of the relative elongation of the burnt sample on the cobalt content from the initial (○) and activated (■) mixture Ni + Al + xCo.

下载 (78KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Dependence of the maximum combustion temperature of samples from the initial (○) and activated (■) mixture of Ni + Al + xCo on the cobalt content.

下载 (83KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Results of X-ray phase analysis of combustion products of activated mixtures of Ni + Al + xCo at x = 10 (a), 30 (b) and 50 wt. % (c). Numbers indicate peaks of the following phases: 1 – solid solution NiAl(Co), 2 – solid solution Ni3Al(Co).

下载 (135KB)
索引源数据
9. Fig. 8. Photographs of samples of combustion products of activated mixtures of Ni + Al + xCo at x = 10 (a), 20 (b), 30 (c), 40 (d), 50 wt.% (d).

下载 (190KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».