Механизм структурирования пористых интерметаллидов при горении псевдоожиженных порошковых смесей Ni и Al

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследован механизм структурирования газопроницаемых Ni–Al сплавов при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в порошковых смесях Ni + Al с добавкой CaCO , которая позволяет формировать превдоожиженное состояние реакционной смеси в зоне волны горения. С использованием методов скоростной видеосъемки, динамической термометрии и закалки реакции показано, что трансформация реакционной среды в зоне волны горения происходит с участием высокоподвижных микрокапель реагирующих расплавов Ni и Al (диаметром ~0,1-0,2 мм) и сопровождается широким комплексом капиллярных процессов: (1) формирование капель в процессе реакционной коалесценции расплавов; (2) поглощение частиц порошковой смеси движущимися каплями; (3) движение расплавов на поверхности формирующихся капель; (4) термокапиллярный дрейф капель в псевдоожиженной порошковой среде. Проведен анализ причин псевдоожижения реакционной смеси при горении и их влияние на структуру конечного продукта реакции.

Об авторах

Александр Иванович Кирдяшкин

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kirdyashkin_a@mail.ru

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, Томск

Владимир Давыдович Китлер

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Email: vladimir_kitler1@mail.ru

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Россия, Томск

Рамиль Махмутович Габбасов

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Email: ramilus@yandex.ru

кандидат технических наук, научный сотрудник

Россия, Томск

Анатолий Сергеевич Мазной

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

Email: maznoy_a@mail.ru

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, Томск

Список литературы

  1. Jiao X., Liu Y., Cai X., Wang J., Feng P. . Progress of porous Al-containing intermetallics fabricated by combustion synthesis reactions: A review // J. Mater. Sci., 2021. Vol. 56. P. 11605–11630. doi: 10.1007/s10853-021-06035-5.
  2. Thiers L., Mukasyan A. S., Varma A. Thermal explosion in Ni–Al system: Influence of reaction medium microstructure // Combust. Flame, 2002. Vol. 131. P. 198–209. doi: 10.1016/S0010-2180(02)00402-9.
  3. Biswas A., Roy S. K. Comparison between the microstructural evolutions of two modes of SHS of NiAl: Key to a common reaction mechanism // Acta Mater., 2004. Vol. 52. P. 257–270. doi: 10.1016/j.actamat.2003.08.018.
  4. Rogachev A. S., Vadchenko S. G., Baras F., Politano O., Rouvimov S., Sachkova N. V., Grapes M. D., Weihs T. P., Mukasyan A. S. Combustion in reactive multilayer Ni/Al nanofoils: Experiments and molecular dynamic simulation // Combust. Flame, 2016. Vol. 166. P. 158–169. doi: 10.1016/j.combustflame.2016.01.014.
  5. Shabouei M., Subber W., Williams C. W., Matouš K., Powers J. M. Chemo-thermal model and Gaussian process emulator for combustion synthesis of Ni/Al composites // Combust. Flame, 2019. Vol. 207. P. 153–170. doi: 10.1016/j.combustflame.2019.05.038.
  6. Fan Q., Chai H., Jin Z. Dissolution–precipitation mechanism of self-propagating high-temperature synthesis of mononickel aluminide // Intermetallics, 2001. Vol. 9. P. 609–619. doi: 10.1016/S0966-9795(01)00046-2.
  7. Zhu P., Li J. C. M., Liu C. T. Reaction mechanism of combustion synthesis of NiAl // Mat. Sci. Eng. A — Struct., 2002. Vol. 329-331. P. 57–68. doi: 10.1016/S0921-5093(01)01549-0.
  8. Morsi K. Review: Reaction synthesis processing of Ni–Al intermetallic materials // Mat. Sci. Eng. A — Struct., 2001. Vol. 299. P. 1–15. doi: 10.1016/s0921-5093(00)01407-6.
  9. Jiang Y., He Y., Gao H. Recent progress in porous intermetallics: Synthesis mechanism, pore structure, and material properties // J. Mater. Sci. Technol., 2021. Vol. 74. P. 89–104. doi: 10.1016/j.jmst.2020.10.007.
  10. Miura S., Ohashi T., Mishima Y. Amount of liquid phase during reaction synthesis of nickel aluminides // Intermetallics, 1997. Vol. 5. P. 45–59. doi: 10.1016/S0966-9795(96)00065-9.
  11. Plazanet L., Nardou F. Reaction process during relative sintering of NiAl // J. Mater. Sci., 1998. Vol. 33. P. 2129–2136. doi: 10.1023/A:1004375304423.
  12. Hibino A., Matsuoka S., Kiuchi M. Synthesis and sintering of Ni Al intermetallic compound by combustion synthesis process // J. Mater. Process. Tech., 2001. Vol. 112. P. 127–135. doi: 10.1016/s0924-0136(01)00558-1.
  13. Maznoy A., Kirdyashkin A., Kitler V., Solovyev A. Combustion synthesis and characterization of porous Ni–Al materials for metal-supported solid oxide fuel cells application // J. Alloy. Compd., 2017. Vol. 697. P. 114–123. doi: 10.1016/j.jallcom.2016.11.350.
  14. Cai X., Li Z., Jiao X., Wang J., Kang X., Feng P., Akhtar F., Wang X. Preparation of porous NiAl Intermetallic with controllable shape and pore structure by rapid thermal explosion with space holder // Met. Mater. Int., 2021. Vol. 27. P. 4216–4224. doi: 10.1007/s12540-020-00904-5.
  15. Мазной А. С., Кирдяшкин А. И. Влияние исходных параметров реагирующей системы на структуру пористости продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Физика горенияи взрыва, 2014. Т. 50. С. 69–77.
  16. Кирдяшкин А. И., Китлер В. Д., Саламатов В. Г., Юсупов Р. А., Максимов Ю. М. Капиллярные гидродинамические явления в процессе безгазового горения // Физика горения и взрыва, 2007. Т. 43. С. 31–39.
  17. Rogachev A. S., Varma A., Merzhanov A. G. The mechanism of self-propagating high-temperature synthesis of nickel aluminides. Part I: Formation of the product microstructure in a combustion wave // Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 1993. Vol. 2. P. 25–38.
  18. Mukasyan A. S., Rogachev A. S. Discrete reaction waves: Gasless combustion of solid powder mixtures // Prog. Energ. Combust., 2008. Vol. 34. P. 377–416. doi: 10.1016/j.pecs.2007.09.002.
  19. Рогачев А. С., Кочетов Н. А., Курбаткина В. В., Левашов Е. А., Гринчук П. С., Рабинович О. С., Сачкова Н. В., Бернер Ф. Микроструктурные аспекты безгазового горения механически активированных смесей. I. Высокоскоростная микровидеосъемка состава Ni + Al // Физика горения и взрыва, 2006. Т. 42. С. 61–70.
  20. Rogachev A. S., Mukasyan A. S. Combustion for material synthesis. — CRC Press, 2014. 424 p. doi: 10.1201/b17842.
  21. Manukyan K., Amirkhanyan N., Aydinyan S., Danghyan V., Grigoryan R., Sarkisyan N., Gasparyan G., Aroutiounian R., Kharatyan S. Novel NiZr-based porous biomaterials: Synthesis and in vitro testing // Chem. Eng. J., 2010. Vol. 162. P. 406–414. doi: 10.1016/j.cej.2010.05.042.
  22. Cui H., Cao L., Chen Y., Wu J. Unique microstructure of porous NiAl intermetallic compound prepared by combustion synthesis // J. Porous Mat., 2012. Vol. 19. P. 415–422. doi: 10.1007/s10934-011-9489-2.
  23. Bassani P., Bassani E., Coduri M., Giuliani P., Tuissi A., Zanotti C. 2015. Influence of TiH addition on SHS porous shape memory alloy // Mater Today — Proc., 2015. Vol. 2. P. S715–S718. doi: 10.1016/j.matpr.2015.07.382.
  24. Yeh C. L., Sun W. E. Use of TiH as a reactant in combustion synthesis of porous Ti Si and Ti Si /TiAl intermetallics // J. Alloy. Compd., 2016. Vol. 669. P. 66–71. doi: 10.1016/j.jallcom.2016.01.236.
  25. Maznoy A., Kirdyashkin A., Kitler V., Pichugin N., Salamatov V., Tcoi K. Self-propagating high-temperature synthesis of macroporous B2+L12 Ni-Al intermetallics used in cylindrical radiant burners // J. Alloy. Compd., 2019. Vol. 792. P. 561–573. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.04.023.
  26. Мазной А. С., Кирдяшкин А. И., Пичугин Н. С. Радиационные горелки цилиндрической формы с максимальной эффективностью преобразования энергии горения в излучение // Горение и взрыв, 2018. Т. 11. С. 56–65. doi: 10.30826/CE18110208.
  27. Мазной А. С., Яковлев И. А., Пичугин Н. С., Замбалов С. Д., Цой К. А. Влияние стратегии ввода топливно-воздушной смеси на характеристики цилиндрических радиационных горелок с тонкослойнымпористым излучателем // Горение и взрыв, 2019. Т. 14. С. 35–42. doi: 10.30826/CE21140305.
  28. Maznoy A., Pichugin N., Kirdyashkin A., Yakovlev E., Yakovlev I., Zambalov S., Guschin A. Predicting oxidation-limited lifetime of Ni–Al–Cr porous radiant burners made by combustion synthesis // J. Alloy. Compd., 2023. Vol. 934. P. 167885. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.167885.
  29. Кирдяшкин А. И., Габбасов Р. М., Китлер В. Д., Мазной А. С. Экспериментальное исследование обжиговой печи на принципе фильтрационного горения газов // Горение и взрыв, 2020. Т. 13. С. 49–61. doi: 10.30826/ce20130406.
  30. Okamoto H., Massalski T. B. Binary alloy phase diagrams. — Materials Park, OH, USA: ASM International, 1990. 3 vols. 3611 p.
  31. Lewis A. E., Seckler M. M., Kramer H., Van Rosmalen G. Industrial crystallization: Fundamentals and applications. — Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 2015. 323 p. doi: 10.1017/cbo9781107280427.
  32. Subramanian R. S. The Stokes force on a droplet in an unbounded fluid medium due to capillary effects // J. Fluid Mech., 1985. Vol. 153. P. 389–400. doi: 10.1017/s0022112085001306.
  33. Rednikov A. Y., Ryazantsev Y. S., Velarde M. G. Drop motion with surfactant transfer in a homogeneous surrounding // Phys. Fluids, 1998. Vol. 6. P. 451. doi: 10.1063/1.868343.
  34. Кирдяшкин А. И., Китлер В. Д., Саламатов В. Г., Юсупов Р. А. Особенности структурной динамики высокотемпературных металлотермических процессов на примере системы FeO–Al–Al O // Физика горения и взрыва, 2008. Т. 44. С. 80–84.
  35. Kupiec K., Komorowicz T. Simplified model of transient radiative cooling of spherical body // Int. J. Therm. Sci., 2010. Vol. 49. P. 1175–1182. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2010.01.009.
  36. Halikia I., Zoumpoulakis L., Christodoulou E., Prattis D. Kinetic study of the thermal decomposition of calcium carbonate by isothermal methods of analysis // Eur. J. Mineral Processing Environmental Protection, 2001. Vol. 1. P. 89–102.
  37. Gergely V., Curran D. C., Clyne T. W. The FOAMCARP process: Foaming of aluminium MMCs by the chalk–aluminium reaction in precursors // Compos. Sci. Technol., 2003. Vol. 63. P. 2301–2310. doi: 10.1016/S0266-3538(03)00263-X.
  38. Jacob K. T., Srikanth S. Physical chemistry of the reduction of calcium oxide with aluminum in vacuum // High Temp. Mater. Proc., 1990. Vol. 9. P. 77–92. doi: 10.1515/HTMP.1990.9.2-4.77/machinereadablecitation/ris.
  39. El-Sadek M. H., El-Barawy K., Morsi I. M. Production of calcium metal by aluminothermic reduction of Egyptian limestone ore // Can. Metall. Quart., 2018. Vol. 58. P. 213–222. doi: 10.1080/00084433.2018.1544343.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

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».