WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Анализ динамических характеристик процесса реакционного смешения разнородных расплавов путем конвекции Марангони реализован в модельных биметаллических системах, представляющих собой скрутки проволок (Ti–Ni, Ni–Al) диаметром 0.250.50 мм. Здесь процесс происходит в самоподдерживающемся волновом режиме, являющимся близким аналогом горения порошковых систем.

Процесс инициируется при нагреве скруток прямым пропусканием электрического тока до точки плавления Al (система Ni–Al) и Ni (система Ti–Ni).

Волна реакционного смешения представляет собой высокотемпературную (22002700К) каплю, которая перемещается по скрутке со скоростью 180200 мм/с (система Ni–Al) и 2025 мм/с (система Ti–Ni) (рисунок 3). Расплавы Al, Ni, Ti, поступающие из проволок перемешиваются внутри капли под действием капиллярных сил на ее свободной поверхности. Температурная неоднородность расплавов внутри капли объясняется высокой интенсивностью конвекции, когда число Льюиса Lu1.

Ti Ni Исходный t=0.00 с t=0.04 с t=0.08 c t=0.12 c образец Рисунок 3–Кадры видеосъемки процесса горения проволочной скрутки Ti-Ni:

Исследования закаленных промежуточных продуктов реакции показали, что материал капли формируется в виде упорядоченной системы более или менее правильных многогранников размером 0.1 мм, отражающих структуру конвективных циркуляционных ячеек (рисунок 4). Здесь линии тока жидкости в ячейках задают направление текстуры кристаллизованного материала.

Исходя из анализа характерных времен смешения расплавов d2/De и прогрева проволок a/VF2 (а, d – коэффициент температуропроводности и размер капли, VF – линейная скорость волны) проведена оценка эффективного коэффициента массопереноса (De) в капле. Полученные величины De10-5 м2/с (система Ti–Ni), De10-4 м2/с (система Ni–Al) на 45 порядков превышают уровень массопереноса, характерный для обычной молекулярной диффузии в расплавах.

Рисунок 4–Оптическая микрофотография продукта реакции проволочной скрутки Ni–Al Высокая интенсивность смешения расплавов в капле объясняется турбулентным режимом конвекции Марангони. В этом случае скорость массопереноса характеризуется коэффициентом турбулентной диффузии, величина которого вполне соответствует De. Реализация турбулентного режима течений в капле определяется условием Re=r/ 1500, где – скорость течения; r – радиус капли;, – соответственно, эффективные плотность и вязкость расплава. В первом приближении скорость течения расплава можно оценить на основе данных известного теоретического анализа скорости растекания пленки одной жидкости по поверхности другой: [()2/r]1/31.0 м/с, где -разность поверхностного натяжения жидкостей. Отсюда следует, что турбулентный режим конвекции Марангони возможен при r 1 мм.

Для исследования особенностей капиллярного растекания плавящихся реагентов при протекании гетерогенной экзотермической реакции использовалась модельная система в виде пластин компактного относительно легкоплавкого металла, разделенных порошковыми слоями более тугоплавкого компонента (Ti–B, Al–Ni). Здесь после плавления первой пластины процесс реакционной пропитки протекает в самоподдерживающемся волновом режиме в виде стадий капиллярного растекания расплава, сочетающегося с экзотермическим взаимодействием компонентов системы, плавления очередной пластины и т.д. Продуктом реакции являются слои из интерметаллидных и боридных соединений, разделенных пустотами на месте пластин.

Как показывают наблюдения, проникновение расплава в порошковый слой происходит в локальном месте с последующим распространением зоны пропитки вдоль слоя, то есть геометрия фронта пропитки периодически изменяется (рисунок 5).

Необходимо отметить, что в изотермических условиях капиллярное растекание жидкости в пористой среде обычно сопровождается распространением фронта фильтрации практически постоянной геометрии. Наблюдаемый характер реакционной пропитки объясняется следующим образом. Растекание металлической пластины происходит не с момента ее плавления, а в течение некоторого времени, необходимого для прогрева порошкового слоя до достижения температуры, при которой происходит смачивание твердых частиц расплавом. В силу флуктуаций параметров теплопереноса указанное условие в начале реализуется в локальном участке слоя, где происходит первичное проникновение расплава и формирование реакционного очага. В дальнейшем область проникновения расплава расширяется вследствие формирования наиболее благоприятных условий прогрева порошкового слоя перед очагом. Таким образом, особенности процесса реакционной пропитки в изученной модельной системе связаны с градиентом температуры в зоне фильтрации расплава.

Al Ni Исходный t=0.00 c t=0.20 с t=0.40 c образец 5 мм t=0.52c t=1.68 c t=1.76 c t=1.88 c Рисунок 5–Кадры видеосъемки процесса реакционной пропитки пористого никеля расплавом алюминия в режиме горения:

В четвертой главе представлены результаты исследований влияния градиентной фильтрации и конвекции Марангони в расплавах на характеристики горения и структурообразования плавящихся порошковых систем при протекании СВС.

В первом разделе показана возможность капиллярной фильтрации расплава плавящихся компонентов реакционной системы не только на масштабе отдельных частиц, но и в пределах всей волны горения под действием капиллярного давления, связанного с градиентом температуры (градиентная фильтрация). Оценочное значение линейной скорости фильтрации на масштабе волны горения следует из формулы Пуазейля, примененной для вязкого течения жидкости в пористой среде:

Vcr(с-0)/8lc (1), где Vc, lc- скорость течения расплава и толщина зоны фильтрации в волне горения;

0, с – поверхностные натяжения расплава при температуре плавления легкоплавкого компонента и максимальной температуре горения, соответственно;

rds– размер капилляров; ds–размер твердых частиц: – вязкость расплава. Эффект градиентной фильтрации реализуется при условии: tFtc, где tF а/V2F, tclc/Vc – характерные времена горения и фильтрации, соответственно: а–температуропроводность системы: VF – скорость горения. Показано, что это условие выполняется при использовании частиц ds 10-610-5м и скорости горения VF < 10-2 м/с.

Экспериментальным подтверждением градиентной фильтрации является возникновение периодической неоднородности химического состава (рисунок 6) и пористости (рисунок 7б) в системах Ni–Al, Ti–B–Cu при распространения волны безгазового горения.

Ni вес.% 10 Al вес.% 8 х, мм Cu вес.% Ti вес.% х, мм 05 10 Рисунок 6– Распределения концентрации компонентов в исходных образцах (2 – Ni+11%Al, 5 – Ni+31.5%Al, 7 – Ti + 9.3 % В+70% Cu) и в продуктах горения (1 – Ni+11%Al, 3 – Ni+20%Al, 4 – Ni+31.5%Al, 6 – Ti+9.3%В+70% Cu) по данным микрорентгеноспектрального анализа:

х – координата вдоль оси образца в направлении распространения горения;

отн.= 0.45; исходные порошки: NI–ПНК 1 Л5, Al–АСД4, Ti–ПТМ, Cu–ПМС1, бор аморфный черный; (здесь и далее приведены весовые концентрации) Эффект градиентной фильтрации наиболее выражен при исходной пористости образцов более 50%. Относительно тугоплавкие компоненты указанных систем – порошки Ni, Ti (ds10-5м) и В (ds10-6м), легкоплавкие порошки Al и Cu, соответственно. Масштаб наблюдаемых неоднородностей продукта реакции в 10100 раз превышает размер исходных частиц. Возникновение неоднородностей такого размера не может быть обеспеченно диффузионными процессами в силу малости характерного времени горения относительно характерного времени диффузии на масштабе неоднородности. Существенное влияние примесных газовыделений на массоперенос Al и Cu также маловероятно в связи с предварительным удалением легколетучих примесей из исходных компонентов путем термовакуумной обработки.

Формирование периодической неоднородной структуры сопровождается спиновым режимом СВС, где во фронте горения наблюдаются локальные очаги, движущиеся вдоль поверхности фронта со скоростью (Vs), в 620 раз превышающую среднюю нормальную скорость горения. Из анализа данных видеосъемки процесса горения с лазерной подсветкой следует, что на траектории движения очагов образуются слои повышенной пористости. Слои визуализируются как возникающие за очагом темные полосы (рисунок 7а), что обусловлено уменьшением отражательной способности поверхности образца за счет локального повышения пористости. Время формирования слоев повышенной пористости составляет величину 0.41.0 с. Последняя близка к оценке времени капиллярного перераспределения расплава, определяемого формулой (1).

Vs Vs Vs а б Рисунок 7–Фотографии поверхности образца Ti+9.3%B+70%Cu в процессе горения с лазерной подсветкой (а) и разреза конечного продукта (б);

1–слои пониженной пористости и повышенной концентрацией Cu, 2–слои повышенной пористости и пониженной концентрацией Cu.

В системе Ni–Al повышение концентрации Al от 11% до 31.5% приводит к увеличению скорости горения от 5 мм/с до 40 мм/с и пропорциональному снижению величины химической неоднородности, генерируемой волной (рисунок 6). Для смеси Ni+31.5%Al макроскопические распределения концентрации компонентов в исходной системе и продуктах горения практически одинаковы. Это объясняется изменением соотношения характерных времен от tF/tc> 1 до tF/tc<1 с увеличением скорости горения.

Из полученных данных следует взаимосвязь между эффектом градиентной фильтрации и спиновым режимом горения. Возникновение спиновых очагов во фронте горения объясняется неоднородным (по поверхности фронта) проникновением расплава легкоплавкого компонента. В результате этого за счет дополнительного конвективного тепло–массопереноса в локальных участках волны горения создаются наиболее благоприятные условия для протекания гетерогенной реакции. Здесь геометрия реакционной волны, по сути, отражает форму фронта градиентной фильтрации расплава. Аналогичный эффект реализуется в процессе реакционной пропитки модельных слоевых систем, рассмотренном в главе 3.

Подтверждением гидродинамической природы спинового горения является исчезновение локальных очагов в волне горения при затруднении фильтрации за счет уплотнении исходной порошковой смеси (рисунок 8).

а б Рисунок 8–Фотографии волны горения состава Ni+31.5%Al а–отн=0.45 и б–отн=0.Во втором разделе изучена роль конвекции Марангони в процессах горения и формирования структуры продуктов СВС в плавящихся низкоплотных порошковых системах: NI–Al, FeO–Al–Al2O3, NiO–MgO–Al и др.

Согласно проведенным исследованиям, морфология пористого продукта СВС формируется в результате капиллярной коалесценции расплавленных частиц компонентов в реакционной волне (рисунок 9а). Эффект обусловлен нарушениями сплошности смеси в предпламенной зоне волны горения. Из-за выделения избытка энтальпии на местах микроразрывов смеси температура локальных участков волны существенно (на 100300К) превышает среднюю температуру горения. Это приводит к полному плавлению системы и усилению коалесценции. Наиболее выражен эффект при специальном введении в исходную смесь небольшого количества добавок ( MgCO3, LiOH и др.), газифицирующихся при горении. В этом случае продукт реакции формируется в виде пористого скелета из спаянных капель округлой формы (рисунок 9б). Размер капель увеличивается с ростом концентрации добавок. Механизм формирования капельной структуры следует из анализа данных скоростной видеосъемки.

Под действием газовыделений перед реакционной волной смесь фрагментируется на минигранулы (0.030.01 мм) и формируется псевдоожиженный слой, где происходит циркуляция минигранул. Процесс СВС представляется последовательными стадиями нагрева (0.51.0 с) и теплового взрыва (0.01 0.02 с) псевдоожиженного слоя. В ходе реакции минигранулы превращаются в мелкие расплавленные капли, которые коалесцируют между собой и формируют большую каплю - элемент пористого скелета конечного продукта.

0.5 мм 1 мм а б Рисунок 9–Фотография разреза продукта реакции смеси Ni+31.5%Al (a) и Ni+31.5%Al+газифицирующая добавка (б) Химические превращения системы сопровождаются разогревом капель и развитием конвекции Марангони. Последнее подтверждается наличием вихреобразных образований в структуре температурного поля на поверхности частиц при взрыве и в структуре закаленных продуктов реакции (рисунок 10).

Подобные структуры наблюдались в модельных системах при лазерной закалке и горении проволочных скруток.

0.1 мм 0.1 мм а б Рисунок 10–Структура яркостного температурного поля на поверхности капельных образований в волне горения (а) и структура в закаленных продуктах реакции (б) а–кадр скоростной видеосъемки процесса б–светооптическая фотография шлифа Время прохождения химической реакции (0.20.4 мc), фиксируемое скоростной видеосъемкой по разогреву отдельных минигранул (капельных образований) до максимальной температуры, на 12 порядка меньше времени смешения компонентов в режиме молекулярной диффузии. Это объясняется развитием турбулентной диффузии, обеспечивающей повышенную скорость массопереноса.

Проведено исследование процесса фазоразделения продуктов горения алюмотермической системы FeO–Al–Al2O3. Показано, что горение протекает с образованием эмульсии в виде металлических капель состава FeAlа в оксидном расплаве состава FebAlcOd. На межфазных границах расплав - металлическая капля происходит восстановительная реакция, в ходе которой a0, b0, c2, d3.

Установлено, что процесс сопровождается независимым от направления силы тяжести хаотичными поступательным и вращательным движениями металлических капель внутри оксидного расплава. В результате этого происходят столкновения и коалесценция капель (рисунок 11).

t= 0.00 c t=0.04 c t=0.Рисунок 11–Кадры видеосъемки участка волны горения смеси FeO+18%Al+10%Al2O3;

1–металлическая капля, 2–оксидный расплав Наблюдаемые движения объясняются действием конвекции Марангони, которая вызвана температурной и химической неоднородностью межфазных границ расплавов и стимулирует эффект капиллярного дрейфа капель. С использованием известных данных теоретического анализа гидродинамики эмульсионных систем, применительно к условиям исследуемой металлотермической реакции получена оценка скорости капиллярного дрейфа металлических капель внутри оксидного расплава:

Vd/(41+62)10-210-1 м/с, где 1, 2 - вязкости оксидного и металлического расплавов, соответственно; - максимальный перепад поверхностного натяжения на межфазной границе металлическая капля – оксидный расплав. Капиллярный дрейф является хаотичным в силу случайного направления градиента поверхностного натяжения.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»