Термографическим и рентгенофазовым методами исследован процесс высокоемпературного синтеза интерметаллических композиционных материаловна основе алюминида никеля Ni3Al, проходящий в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистыхжелментов синертными наполнителем. Исследовано влияние инертного компонента а фазовый состав конечного процукта реакции синтеза. Предполагается, что конечный продукт образуется путем ракционной диффузии на стадииостывания термореагирующей порошковой ситсемы. Проведены оценки термокинетических постоянных процессов формиования фаз NiAl и Ni3Al. Определены области оптимальных режимов высокотемпературного синтеза интерметталлического соединения Ni3Al.

Экспериментальными и численными методами исследован процесс высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni3Al в режиме теплового взрыва под давлением порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического состава. Проведен анализ расчетных и экспериментальных термограмм СВС интерметаллического соединения и зависимости от температуры предварительного нагрева порошковой смеси и величины внешнего давления.

Представлены сведения об основных параметрах математических моделей горения материалов в различных режимах. Впервые показано, что учет термодинамических и кинетических характеристик фазовых переходов, сопровождаемых химическими реакциями, позволяет объяснить и описать особенности горения материалов, а также их отличие от горения газовых смесей и перехода горения в детонацию. Для инженеров и научных работников, специализирующихся в области физики и теории горения и взрыва.

Описан подход к моделированию экзотермических химических реакций, основанный на концепции клеточных автоматов. Для анализа адекватности подхода приведены результаты моделирования процесса распространения фронта реакции при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в системе Ni-Al. Показано хорошее согласие между модельными и экспериментальными зависимостями скорости движения фронта и максимальной температуры горения от температуры начального прогрева порошковой смеси. Сделан вывод о необходимости явного учета кинетики реакции, в частности растекания жидкой фазы, для корректного описания влияния пористости на протекание экзотермической реакции.

В рамках математической модели самораспространяющегося высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni3Al в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов рассмотрено влияние процесса зародышеобразования интерметаллической фазы на поверхностях раздела никеля с алюминием на температуру и время воспламенения порошковой смеси. Исследована зависимость скорости образования интерметаллида от дисперсности никелевых частиц порошковой смеси и мощности внешнего источника нагрева.

Представлена математическая модель формирования и эволюции зеренной структуры интерметаллического соединения Ni3Al при высокотемпературном синтезе из порошковой смеси чистых элементов в режиме теплового взрыва под давлением и при экструзии продукта высокотемпературного синтеза.

В рамках модельных представлений о структуре порошковой смеси алюминия с никелем построена математическая модель высокотемпературного синтеза алюминида никеля Ni3Al в режиме теплового взрыва в соответствии с равновесной диаграммой состояния системы алюминий - никель и на основе уравнений диффузной кинетики образования интерметаллических соединений на границе раздела компонентов в условиях непрерывного нагрева системы внешним источником энергии. Проведены численные расчеты основных характеристик процесса теплового взрыва в системе алюминий-никель в зависимости от дисперсности никелевой компоненты исходной порошковой смеси стехиометрического состава.

В книге рассматриваются вопросы влияния предварительной механоактивации (МА) реакционной шихты на процессы фазо- и структурообразования порошковых материалов при самораспространяющемся высокотемпретурном синтезе (СВС). Выполнен систематический анализ имеющихся результатов и изложены существующие представления о механизме этого влияния. На большом количестве примеров рассматриваются особенности фазо- и структурообразования при механоактивируемом самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (МАСВС). Книга предназначена для широкого круга специалистов: исследователей, студентов, инженеров и производственников, занимающихся разработкой получением новых материалов с уникальными свойствами методов СВС, а также исследованиями в области порошковой металлургии, композиционных материалов и покрытий.

Выполнены эксперименты по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу металлокерамики TiC—NiCr, реализуемому в механоактивированной порошковой смеси Ti—С—NiCr в свободном режиме горения и под давлением. Установлено, что увеличение объемной доли связующего компонента приводит к уменьшению размера включений TiC в частицах, полученных механическим измельчением синтезированных металлокерамических компактов. Для напыления покрытий использовалась разработанная в ИГиЛ СО РАН компьютеризированная установка CCDS2000. Приводятся результаты сравнения характеристик детонационных покрытий, изготовленных из полученных нами порошков и коммерческого порошка Cr3C2—NiCr. Показана перспективность применения самораспространяюшегося высокотемпературного синтеза порошков TiC—NiCr для газотермического напыления износостойких покрытий.

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) порошковой смеси состава (Ni+24ат.%Al+0.5ат.%В) при совмещении с пластической деформацией продукта синтеза получен пластичный и прочный сплав. Методами рентгеновской дифрактомерии, оптической металлографии, растровой электронной микроскопии исследована микроструктура сплава. Показано, что увеличение пластичности сплава обусловлено образованием полифазной и разнообразной по типу микроструктуры - крупнокристаллической эвтектики (y+y) вперемежку с нанокристаллической структурой смеси фаз: y, NiAl, Al3Ni, Ni2Al3.

Предложена и исследована двумерная модель синтеза покрытия на подложке в условиях регулируемого нагрева, учитывающая кинетические и тепловые явления. В качестве модельной системы покрытия выбрана смесь порошков Ti и Ni, в качестве подложки - сталь. Система химических реакций записана в соответствии с диаграммой состояния Ti-Ni. В модели учитывается, что химические реакции тормозятся слоем продукта. Задача решена численно. Определены распределения температуры и концентраций элементов и соединений в различные моменты времени для различных условий синтеза. Показано, что при любой организации процесса синтезированный материал оказывается химически неоднородным.

Методом силового СВС-компактирования получены композиты, имеющие состав TiC+50 об.% инерт. В качестве инерта служили медь, железо, нихром, сталь Г13. Отмечено, что параметр решетки, размер зерна TiCи массовое отношение Ti/C в зерне TiC практически не зависят от состава инерта. Показано, что некоторые композиты имеют высокие механические свойства. Трение композитов, содержащих Ni-Cr, характеризуется коэффициентом трения до 0,5 и большим износом вследствие сильной адгезии к контртелу. Композиты, имеющие состав TiC+(Cu, Fe) и TiC+(Cu, Г13), работоспособны при давлении около 100 МПа и могут служить основой для создания триботехнических материалов.

Экспериментально исследованы термограммы высокотемпературного синтеза алюминида никеля в режиме теплового взрыва порошковых смесей чистых элементов при изменении соотношения компонентов в смесях в пределах однофазного состава интерметаллида. Проведен количественный анализ зависимостей основных термокинетических параметров процесса теплового взрыва от содержания алюминия в исходной порошковой смеси.

Проведены исследования элементного и фазового состава, макро- и микроструктуры, твердости и абразивной износостойкости покрытий, полученных плазменным напылением порошком быстрорежущей стали Р6М5 и СВС порошком TiC+50 об.% Р6М5. Рассмотрено структурное состояние примесей кислорода и азота и их влияние на свойства покрытий. Установлено, что металломатричная структура композиционного порошка сохраняется в неизменном виде в напыленном покрытии, что обеспечивает повышение твердости и износостойкости композиционного покрытия в 2,0 и 7,6 раз соответственно по сравнению с покрытием, напыленным стальным порошком.

Сборник содержит оригинальные научные статьи, в том числе концептуального характера, обобщающие результаты теоретических и экспериментальных исследований в области твердопламенного горения и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Обсуждаются проблемы, относящиеся к феноменологии послойного горения и теплового взрыва при воздействии различных физических факторов: механической активации, удара, пластической деформации, а также обнаруженные недавно явления излучения при протекании процесса СВС. Представлены различные научно-технические разработки в области СВС, связанные с созданием новых материалов, в основном керамических, и технологий их получения. Ряд статей посвящен исследованиям в смежных областях: горению и переработке газов в СВС-конвертере, механохимическому синтезу и свойствам нанопорошков и др. представляет интерес для специалистов в области СВС и других областей (металлургии, технологического горения, химического синтеза и материаловедения). Предназначен для научных сотрудников, инженеров, технологов, преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области неорганической химии, химической физики, структурной макрокинетики и металлургии, особенно порошковой.

Рассмотрены общие и специальные вопросы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) как способа получения неорганических соединений и композиционных материалов. Изложены теоретические основы СВС, закономерности и механизмы горения и структурообразования в СВС-системах. Изучены термодинамические и кинетические аспекты взаимодействия компонентов при синтезе новых материалов в режиме горения. Представлены данные об основных технологических типах процессов производства порошков неорганических соединений, керамических материалов и изделий, новых композиционных материалов, литых тугоплавких соединений, о методах нанесения покрытий. Приведены сведения о структуре, свойствах и применении новых композиционных материалов. Уделено внимание лабораторным установкам для экспериментального исследования процессов СВС и оборудованию для промышленной реализации СВС-технологий. Учебное пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150100 "Металлурги", а также на исследователей, инженеров и технологов в области порошковой металлургии, высокотемпературных материалов, керамических композиционных материалов, огнеупоров, ферросплавов и лигатур, материалов для электроники, химической промышленности и др. Данное издание посвящено 80-летию академика А. Г. Мержанова - выдающегося ученого в области физики горения и взрыва, основоположника метода СВС.

Рассмотрен процесс высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni3Al в условиях теплового взрыва порошковой смеси 3Ni + Al под давлением. В рамках математической модели выполнены количественные оценки дисперсности зеренной структуры синтезированного интерметаллида.

Методом высокотемпературного синтеза под давлением с последующей экструзией продукта синтеза получены интерметаллид Ni3Al и сплавы на его основе, легированные бором и хромом. Показано, что интенсивная пластическая деформация интерметаллических сплавов в процессе экструзии на стадии охлаждения приводит к формированию неоднородной зеренной структуры, состоящей из зерен размером 10-20 мкм, микрокристаллов размером 0,5-2 мкм и зерен с двойниками.

Методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской дифрактометрии исследована микроструктура и фазовый состав интерметаллического соединения Ni3Al, полученного высокотемпературным синтезом под давлением. Показано, что структура интерметаллида состоит из дендритных зерен и междендритных прослоек. Пластическая деформация продукта синтеза в процессе формирования интерметаллида приводит к росту анизотропных дендритных зерне и появлению областей с модулированной структурой в междендритных прослойках. Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются повышением предела текучести и уменьшением пластичности интерметаллида.

Разработаны технологические параметры получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) карбонитридов титана и металлокерамических композиционных порошков на их основе с матрицей из высокоазотистой стали Х20ФГ20 (N=0,9 масс%). Установлены оптимальные режимы синтеза. Проведено исследование качественных характеристик материалов (гранулометрический состав порошка, содержание газов, структура). На основе синтезируемых композиционных порошков системы "TiCN-X20АГ20" методом электронно-лучевой наплавки получены покрытия, исследованы их структура и свойства.

Получены композиты на основе карбида титана путем компактирования в пресс-форме экзотермической шихты состава (Ti+C) + сталь. Композиты имеют низкую пористость. Металлографическим анализом установлено, что увеличение содержания металла (инерта) в экзотермической шихте приводит к уменьшению размера карбидного зерна до 2 мкм. Появление твердого раствора на межфазной границе в СВС-композитах не обнаружено. Параметр решетки TiC=0,432 нм независимо от содержания инерта. Механическая прочность СВС-продуктов имеет низкое значение в композитах, содержащих медь и сталь Р10Ф1К8М6, и относительно высокое значение в композитах, содержащих железо, нихром и сталь Г13.

На примере металлокерамического сплава карбида титана (TiC) с никельхромовым (Ni-Cr) связующим впервые выполнен сравнительный анализ влияния различных высокоэнергетических воздействий на дисперсность внутренней структуры и фазовый состав синтезированной металлокерамики 70vol.%TiC + 30vol.%(Ni-Cr)-сплав (самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) под давлением, предварительная механическая активация (МА) металлических компонентов исходной порошковой смеси титан-углерод-никельхромовая связка; последующая МА порошковой смеси в целом; интенсивная пластическая деформация продукта синтеза). Показано, что в условиях интенсивной пластической деформации с экструзией продукта высокотемпературного синтеза формируется металлокерамическая структура, содержащая частицы карбидной фазы стехиометрического состава наномасштабной размерности.

Методами рентгеноструктурного анализа, оптической и растровой электронной микроскопии исследованы продукты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в реакционных порошковых смесях титана и углерода (сажи), содержащих избыток титана с целью получения из продуктов синтеза композиционных порошков "карбид титана - титановая связка". На основе результатов исследования фазового и элементного состава СВС порошков, синтезированных в аргоне, установлено образование карбида титана нестехиометрического состава, что привело к уменьшению содержания титановой связки в композиционных порошках по сравнению с расчетными значениями. Результаты исследования зависимостей морфологии и структуры карбидной фазы в композиционных порошках от содержания титана в реакционных смесях обсуждены в совокупности с результатами определения термокинетических характеристик послойного горения.

В режиме послойного горения синтезированы и исследованы металломатричные композиты “карбид титана - связка из стали Р6М5”. Из продуктов синтеза получены композиционные порошки TiC + Р6М5, которые использовались для электронно-лучевой наплавки покрытий. Установлено, что наплавленное композиционное покрытие содержит разномасштабные упрочняющие элементы в виде гранул композиционного порошка и отдельных карбидных частиц в стальной матрице, которые отличаются дисперсностью и морфологией. Прослежена эволюция микроструктуры гранул композиционного порошка в процессе наплавки, заключающаяся в частичном растворении периферийной части гранул с высвобождением и переходом карбидных включений в расплав наплавочной ванны.

Методами оптической металлографии, просвечивающей и санирующей электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального локального анализа и рентгеновской дифрактометрии исследована микроструктура, фазовый и элементный состав интерметаллического соединения Ni3Al, полученного компактированием продукта теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов. Поликристаллическая структура сплава состоит из зерен-монодоменов, содержащих микрокристаллические частицы-полидомены этой же фазы. Межзеренные прослойки состоят из фазы и содержат микрокристаллические частицы фазы с полидоменной структурой, а также области с нанокристаллической структурой фаз Al3Ni, AlNi и Ni2Al3.

Монография посвящена механохимическому синтезу металлических соединений. Особое внимание уделено высокотемпературному механохимическому синтезу металлоподобных тугоплавких соединений в многокомпонентных системах. Описаны различные механизмы механохимического синтеза тугоплавких соединений. Рассмотрена макро- и микроструктура порошков тугоплавких соединений и сплавов на их основе. полученных по технологии высокотемпературного и низкотемпературного механохимического синтеза. Книга предназначена для студентов, научных и инженерно-технических работников. специалистов, занятых разработками и исследованием новых материалов.

Исследованы температурные зависимости прочности, пластичности и механизма разрушения интерметаллических соединений Ni-24 ат.% Al и Ni-24 ат.% Al +0,1 вес.% В, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из порошковых смесей чистых элементов в режиме теплового взрыва под давлением. Проведен анализ влияния когезивной прочности границ зерен интерметаллида на температурную зависимость его прочности.

В книге опубликованы статьи концептуального характера ведущих ученых мира в области самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в которых отражен взгляд автора на состояние и перспективы развития данной области и ее основных направлений. Рассматриваются проблемы, относящиеся к научным основам СВС (закономерности и механизм горения, экспериментальная диагностика и математическое моделирование), технологии и оборудованию, материалам и материаловедению, экологии, безопасности и техническим приложениям. Книга представляет интерес для специалистов в области химии и химической промышленности, технологии материалов и материаловедения, металлургии и пиротехники.

В монографии обобщены результаты многолетних исследований по изучению природы механохимических процессов в неорганических и органических твердых веществах, протекающих при воздействии высокоэнергетического измельчения и высоких давлений в специально созданных аппаратах. Приведены результаты исследований изменения структуры, электронных и магнитных свойств и реакционной способности твердых тел под влиянием механической активации и высоких гидростатических давлений и сдвиговых деформаций, процессов образования новых и разупорядоченных фаз в практически важных неорганических и органически (лекарственных) веществах. Предложен метод регулирования указанных изменений путем изменения механических нагрузок и введения гетерогенных добавок. Исследования закономерности и механизмы протекания механохимических реакций, в частности, новая математическая модель таких реакций и возможные механизмы реакций синтеза из смесей гидратированных оксидов. Предложены новые, нетрадиционные и высокоэффективные методы синтеза, приоритет в разработке которых принадлежит сотрудника СО РАН. Созданы основы для решения многих практических задач. В частности, для получения катодных и анодных материалов для литиевых аккумуляторов, интенсификации процессов аккумулирования водорода, получения метастабильных состояний лекарственных препаратов, для получения нанодисперсных систем с использованием оксидных материалов и наноферромагнетиков, для синтеза бороводородных соединений, получения композитных материалов, включающих органические системы с неорганическими наполнителями, использования механохимических методов при синтезе катализаторов. Рассмотрены современны тенденции в развитии измельчительно-активирующей техники для целей активации и перспективы ее применения для переработки природного и техногенного сырья. Описаны созданные в рамках проекта новые измельчительно-активирующие аппараты и приведены экспериментальные данные, показывающие их преимущества перед известными аппаратами. Монография предназначена для специалистов в области химической технологии и прикладного материаловедения, для научных и инженерно-технических работников, аспирантов и студентов химических и химико-технологических факультетов вузов.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов формирования и эволюции зеренной структуры интерметаллического соединения Ni3Al процессе его высокотемпературного синтеза и экструзии продукта синтеза.

Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии исследовали фазовый состав и структуру интерметаллида Ni3Al, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза под давлением. Экспериментально установлено, что структура СВС интерметаллида по своим интегральным характеристикам близка структуре литого интерметаллида. Фазовый состав материала стехнометрического состава представлен фазами Ni3Al, микровключениями NiAl и твердым раствором алюминия в никеле.

Монография посвящена процессам горения, которые используются для прямого синтеза материалов. В книге проведены анализ и обощение экспериментальных и теоретических результатов за весь период существования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Рассмотрены центральные вопросы нового научного направления, зародившегося на стыке физической химии и физического материаловедения, - структурной макрокинетики; возможности использования особенностей СВС для получения конкурентноспособных продуктов и материалов. Книга адресована ученым, а также аспирантам, студентам и всем читателям, интересующимся современной наукой и технологиями.

Представлены результаты исследования фазового состава, структуры и прочностных свойств пористых материалов на основе Ti3SiC2. Установлено, что механизм деформации и разрушения пористого композита Ti3SiC2 — 15 об. % TiC обусловлен меж- и внутризеренным микрорасслоениями. В процессе циклического нагружения сжатием до деформации менее 1.45 % образцы восстанавливают первоначальную форму.

Предложена модель формирования неравновесного поверхностного слоя в процессе электронно-лучевой модификации композиционного материала. Учитываются особенности процессов переноса в матрице и во включениях, а также характер границ раздела между ними. Приведены примеры численного исследования модели для случая идеального контакта между частицами и матрицей. Показан различный характер формирования диффузионных зон в окрестности частиц, расположенных на разном расстоянии от внешней поверхности.

Получены порошковые нанокомпозиты Cu-TiB2. Cu-Ni-TiB2 c использованием механической активации (МА) в планетарной шаровой мельнице и последующего самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Для компактирования порошковых нанокомпозитов был использован метод спекания в плазме электроискрового разряда. Изучены структура и механические свойства спеченных нанокомпозитов при сжатии.

Предложена и исследована математическая модель процесса спекания порошковых катодов. Учитывается, что химические превращения происходят с изменением объема и сопровождаются появлением механических напряжений и деформаций дополнительно к напряжениям и деформациям вследствие высоких градиентов температур. В модели полагается, что химические реакции тормозятся слоем продукта. В работе проведена оценка параметров модели. Определены распределения температуры, концентраций элементов и соединений, относительного объема образца и объемных деформаций.