авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез твердых оксидных растворов на основе корунда и оксинитрида алюминия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тарасов Алексей Геннадьевич

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез твердых оксидных растворов на основе корунда и оксинитрида алюминия

Специальность 01.04.17 - Химическая физика,
в том числе физика горения и взрыва

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук.

Черноголовка 2008

Работа выполнена в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН)

Научный руководитель доктор технических наук Юхвид Владимир Исаакович
Официальные оппоненты доктор физико-математических наук Шкиро Валентин Михайлович
кандидат технических наук Кондаков Станислав Федосеевич
Ведущая организация Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет)

Защита состоится «12» ноября 2008 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 002.092.01 при Учреждении Российской академии наук Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН по адресу:

142432, г. Черноголовка, Московской области, ул. Институтская 8, ИСМАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСМАН

Автореферат разослан «____» октября 2008 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.ф.-м.н. Гордополова И.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Высокотемпературный синтез новых тугоплавких неорганических материалов (оксидов, оксинитридов, карбидов, боридов, силицидов и т.д., металлов и неметаллов) является одним из приоритетных направлений исследования в современных химии и материаловедении. В промышленности для получения тугоплавких неорганических материалов наиболее часто используют методы спекания и сплавления. Тугоплавкие многокомпонентные оксиды и оксинитриды, обладающие уникальной совокупностью химических и физических свойств, широко используются в практике. Однако их получение в промышленности связано с большими энергозатратами, сложным электропечным оборудованием и длительностью процесса получения.

В 70-80-х годах в лаборатории “Жидкофазные СВС-процессы и литые материалы” ИСМАН была показана возможность синтеза в режиме горения в герметичном реакторе под давлением газа литой керамики на основе оксидов алюминия, циркония, кремния, хрома и т.д., с использованием высокоэкзотермических смесей термитного типа. Последующие экспериментальные и теоретические исследования таких процессов стали фундаментальной основой для разработки автоволновой технологии литой оксидной керамики. Преимуществом СВС-технологии являются малые энергозатраты, быстрота процесса синтеза, простота оборудования.

Новизна постановки задач в диссертационной работе состоит в разработке новых методов автоволнового синтеза литой оксидной и оксинитридной керамики на основе оксидов алюминия и хрома, расширении концентрационных пределов твердых растворов, использовании доступной сырьевой базы.



Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является создание новой оксидной и оксинитридной керамики и СВС-технологий ее получения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  • разработка новых методик синтеза литых оксидных растворов (Al2O3-Cr2O3, Al2O3-Cr2O3-Fe2O3) и оксинитрида алюминия (Al-O-N);
  • расширение концентрационных пределов автоволнового синтеза литых оксидных твердых растворов в системе Al2O3-Cr2O3;
  • изучение механизмов и закономерностей автоволнового синтеза литой оксидной керамики, используя смеси термитного типа

(CrO3-Cr2O3-Cr, CrO3-Al2O3-Cr, CrO3-Al2O3-Al, CrO3-Al-Cr2O3,

Fe2O3-Al-Cr2O3);

  • изучение возможности теплового взрыва для получения литой оксидной керамики;
  • изучение взаимодействия азота с оксидными твердыми растворами с целью получения оксинитридной керамики;
  • оптимизация процесса и разработка опытной СВС-технологии литых оксидов и оксинитридов;
  • наработка опытных партий оксидных материалов и их испытание в промышленности.

Научная новизна.

  1. Разработаны научные основы СВС-технологии литых твердых оксидных растворов на основе корунда и оксинитрида алюминия в реакторах под давлением газа (азота, аргона).
  2. Показано, что для получения твердых растворов на основе корунда можно реализовать три подхода:
  • синтез в режиме горения с образованием двух продуктов оксидного и металлического и последующей гравитационной сепарацией металлической и оксидной фаз;
  • синтез в режиме горения с частичным восстановлением CrO3 до Cr2O3 и образованием одного оксидного продукта;
  • синтез с предварительным подогревом исходной смеси для слабоэкзотермических смесей, в том числе с подогревом до температуры самовоспламенения.
  1. Экспериментально и методами термодинамики изучены закономерности горения широкого круга смесей: CrO3-Cr2O3-Cr, CrO3-Al2O3-Cr, CrO3-Al2O3-Al, CrO3-Al-Cr2O3, Fe2O3-Al-Cr2O3. и др., формирования химического, фазового состава и микроструктуры продуктов их горения. Показано, что эти смеси имеют широкие пределы горения, плавления и фазоразделения. Химический состав оксидных твердых растворов на основе корунда можно изменять в широких пределах, варьируя соотношение реагентов в исходной смеси, температуру исходной смеси и давление газа.
  2. Установлено, что при горении смесей с высоким содержанием Al в азоте оксидная фаза формируется на основе оксинитрида алюминия. Детальные исследования показали, что, варьируя давление газа от 4 до 8 МПа, можно изменять содержание азота от 2,4 до 2,7 % масс. Содержание азота в оксинитриде алюминия можно существенно повысить введением в исходную смесь нитрида алюминия.

Практическая ценность работы.

  1. Оптимизирован процесс и разработаны основы автоволновой технологи литой оксидной и оксинитридной керамики на базе оксидов алюминия и хрома. Разработанные подходы позволяют расширить концентрационные пределы оксидных твердых растворов в системах Al2O3-Cr2O3,
    Al2O3-Cr2O3-Fe2O3 и др., использовать доступную сырьевую базу.
  2. Созданная опытная СВС-технология включает в себя следующие стадии: синтез литых оксидов и оксинитридов в реакторах СВС-30, измельчение, классификацию порошков, а также позволяет нарабатывать опытные партии по 50-100 кг для испытаний в промышленности.

Реализация и внедрение результатов работы.

Проведена наработка твердого раствора на основе корунда из смеси Fe2O3-Al-Cr2O3. Твердый раствор содержит 1,4% масс. Fe; 6,3% Cr; 47,2% Al и 45,1% O2. Испытания этого оксида на заводе ММПП “Салют” в качестве материала литейных форм для получения лопаток газотурбинного двигателя из жаропрочного сплава ЖС6У показали высокое качество формы и отливок, полученных в них. Оксид Al2O3 - Cr2O3 - Fe2O3 является перспективным для внедрения в авиационную промышленность.

Основные результаты, представляемые к защите

  • разработанные научные основы СВС-технологии литых твердых оксидных растворов на основе корунда и оксинитрида алюминия;
  • созданные варианты синтеза твердых растворов на основе корунда

-синтез в режиме горения последующей гравитационной сепарацией металлической и оксидной фаз;

-синтез в режиме горения с частичным восстановлением CrO3 до Cr2O3 и образованием одного оксидного продукта;

-синтез с предварительным подогревом исходной смеси до температуры самовоспламенения.

  • установленные закономерности автоволнового синтеза широкого круга смесей: CrO3-Cr2O3-Cr, CrO3-Al2O3-Cr, CrO3-Al2O3-Al,
    CrO3-Al-Cr2O3, Fe2O3-Al-Cr2O3 и др., формирование их химического, фазового состава и микроструктуры;
  • выявленные оптимальные условия синтеза оксинитрида алюминия

Апробация работы.

Диссертационная работа и отдельные ее части докладывались на первой, второй, третьей и четвертой всероссийской школе – семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых, Черноголовка, Россия, 2003 - 2006г.; VIII Int. symposium on Self-propagating High temperature Synthesis Italy, 2005; Молодежной международной школе-конференции по инновационному развитию науки и техники, Черноголовка, Россия 2006г.; IV международной конференции, “Материалы и покрытия в экстремальных условиях исследования, применения, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий“, Жуковка, Большая Ялта, Автономная республика Крым. Украина, 2006г.; международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы авиационного материаловедения». Москва, Россия, 2006.; международном симпозиуме «Физика и химия процессов, ориентированных на создание новых наукоемких технологий, материалов и оборудования», Черноголовка, Россия, 2007г.; IX international symposium: "SHS 2007 - SELF PROPAGATING HIGH TEMPERATUTE SYNTHESIS". Dijon, France, 2007.; Пятой международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологические чистые технологии производства и утилизации изделий», Жуковка, Украина, 2008.

Публикации.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях и тезисах 10 докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 125 страницах текста, включает 65 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит

111 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность рассматриваемых задач, определены цели, рассмотрена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы, в котором рассмотрены физико-химические основы и основные варианты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Наиболее подробно проанализированы работы по СВС – металлургии и автоволновому синтезу литой оксидной керамики, а также рассмотрены промышленные способы получения, свойства и области применения оксидов на основе корунда.

Во второй главе приведено описание используемых в диссертационной работе: исходного сырья, установок, методик проведения экспериментов, анализа конечных продуктов и расчета экспериментальных характеристик.

В экспериментах в качестве исходных реагентов использовались порошки оксидов (Al2O3, CrO3, Cr2O3, Fe2O3), нитрид алюминия (AlN), активные металлы (Al, Cr). Температура горения используемых в работе составов превышала температуры плавления исходных и конечных веществ. Поэтому исходные реагенты в экспериментах помещались в тугоплавкие цилиндрические формы из кварцевого стекла или графита.

В опытно-технологических экспериментах использовались графитовые формы диаметром от 40 до 120 мм, с толщиной стенок 5-10 мм, высотой от 100 до 400 мм. После операций сушки и смешивания готовая шихта загружалась в тугоплавкие реакционные формы, помещалась в реактор и проводился синтез под давлением газа (азота, аргона) 4,0-8,0 МПа.

В экспериментах определялись: средняя линейная скорость горения, полнота выхода оксидной и металлической фаз, глубина разброса продукта в процессе горения. Динамика изменения температуры при нагреве и в процессе горения определялась термопарами из сплава ВР5/20. Сигнал от термопар фиксировался с помощью АЦП – платы L-761 и обрабатывался на ПК.

Для исследования продуктов синтеза в работе были использованы химический, рентгенофазовый, локальный рентгеноспектральный и металлографический методы анализа.

В третьей главе изложены закономерности автоволнового синтеза литых растворов на основе корунда из смеси Fe2O3/Al/Cr2O3 в реакторе под давлением азота 4,0 МПа.

С ростом весовой доли Cr2O3 в исходной смеси () скорость горения и полнота диспергирования уменьшаются (рис.1). При достижении значений > 43,0 % наступает предел горения (рис.1). По мере приближения к пределу, горение смесей становится нестационарным, фронт горения искривляется.





Визуальное обследование продуктов горения показало, что при малых продукты горения имеют вид двух четко разделенных литых слоев (верхний – оксидный, нижний - металлический). При больших продукт имеет вид спека, в котором оксидная и металлическая фазы перемешаны между собой. С ростом масса оксидного слоя увеличивается. При анализе продуктов основное внимание было уделено области , в которой происходило четкое разделение оксидной и металлической фаз.

На основании данных химического, металлографического и рентгенофазового анализа продуктов синтеза было установлено, что при наличии Сr2O3 в составе исходной смеси оксидный слой содержит 2 фазы: (1)- шпинель Al2O3/Сr2O3/Fe2O3 и (2)- твердый раствор Al2O3/Сr2O3.

Химический анализ металлической и оксидной фаз показал, что в смесях (Fe2O3+2Al)+ Cr2O3, имеющих дефицит Al, при горении протекают конкурирующие химические превращения: 1) Fe2O3 + Al и 2) Cr2O3 + Al.

Во всей изученной области , (рис.2), наиболее активно и полно протекает восстановление железа. Полнота восстановления Cr (Cr) существенно меньше. Полнота восстановления Fe и Cr рассчитывалась, как отношение массы элемента в связанном состоянии до начала химической реакции, к той части массы элемента, которая полностью восстановилась в ходе реакции:

, где

i – индекс рассматриваемого элемента в смеси;

Мiвосст – масса элемента, восстановленного в ходе реакции (рассчитывалась исходя из данных химического, фазового анализов продуктов синтеза и масс оксидного и металлического слоев);

Мiд – масса элемента в диспергате;

Мiобщ – масса элемента в составе смеси.

Тенденция к снижению полноты восстановления как Fe, так и Cr обусловлена снижением общего теплового эффекта при уменьшении содержания Fe2O3 в исходной смеси. По данным рентгенофазового анализа Cr2O3 полностью растворяется в решетке оксида алюминия, что приводит к смещению пиков на рентгенограммах и увеличению микротвердости оксидной фазы (раствор Cr2O3 в корунде). Значения микротвердости шпинелевой фазы меняются слабо, что говорит о незначительном растворении в ней оксида хрома.

В четвертой главе изложены закономерности автоволнового синтеза литых растворов на основе корунда из стехиометрических смесей CrO3/Al и CrO3/Cr с добавками Al2O3 и Cr2O3 (табл. 1) в реакторе под давлением азота

4,0 МПа. Используемые в данной серии базовые химические реакции протекали с неполным восстановлением CrO3 до Cr2O3:

2CrO3 + 2AlCr2O3Al2O3,

CrO3 + CrCr2O3,

при этом в примерах 2-5 конечный продукт был только оксидный. Исключение составляет реакция №1, в которой образуется 2 продукта: оксидный (оксинитридный) и металлический [Al2O3(Al-O-N) + CrAl].

Табл. № 1.

Состав конечных продуктов в зависимости от разбавителя.

Разбавитель Содержание разбавителя, % Расчетный качественный состав продуктов синтеза Экспериментальный состав оксидного слоя, Al2O3/Сr2O3, %
1. Al2O3 25, 0 Al2O3 + CrAl (100/0)
2. Al2O3 41, 5 Al2O3/Cr2O3 (65/35)
3. Al2O3 16, 6 Al2O3/Сr2O3 (50/50)
4. Cr2O3 12, 0 Al2O3/Cr2O3 (35/65)
5. Cr2O3 10, 0 Cr2O3 (0/100)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.