Важнейшей характеристикой тугоплавких материалов является коэффициент температуропроводности в области высоких температур. Этой величиной во многом определяется процесс твердофазного взаимодействия частиц в многокомпонентной смеси исходных продуктов при формировании конструкционных материалов высокотемпературного назначения. В данной работе показана возможность определения коэффициента температуропроводности в ходе развития локального очага воспламенения бинарной смеси Ti-Al в режиме теплового взрыва. Значимость полученных результатов определяется тем, что сведения о температуропроводности алюминидов титана [1,2] ограничены и существенно различаются, а для высоких температур практически отсутствуют.

В области порошковой металлургии и газотермических методов напыления покрытий исключительную важность представляют задачи изучения кинетики и механизма реакций, прежде всего в дисперсных смесях твердых веществ. Исследование зависимости этих реакций от определяющих факторов, разработка способов регулирования технологического режима и управления свойствами конечного продукта в процессе его формирования требуют создания средств экспрессной диагностики и контроля, позволяющих обнаруживать изменения основных параметров технологического процесса, а также непрерывно наблюдать за ними (непосредственно или хотя бы косвенным путем).Таким образом, современное состояние методов контроля и диагностики гетерогенных сред с дисперсной конденсированной фазой (ДКФ) требует серьезного развития теоретических и экспериментальных работ в этой области, и прежде всего для повышения достоверности результатов контроля параметров ДКФ в быстропротекающих высокотемпературных процессах.

Объектом исследования была выбрана система Ti-Al , продукты взаимодействия которой отличаются малым удельным весом и высокой жаростойкостью. Порошок алюминия, с размерами частиц d=10 мкм, перемешивался с порошком титана, с размерами d=150 мкм с соотношением масс, соответствующим стехиометрии соединения TiAl₃. Шихта равномерно прогревалась в электропечи в цилиндрической стальной оснастке до температуры, близкой к температуре плавления алюминия, Т=660 ⁰С. Таким образом осуществлялся синтез интерметаллида в режиме теплового взрыва. Структура фазовой диаграммы системы Ti-Al, [2] указывает на то, что механизм образования продукта реакции определяется реакционной диффузией легкоплавкого компонента в решетку тугоплавкого, причем основным продуктом синтеза, вплоть до максимальных температур саморазогрева, является интерметаллид TiAl₃. Oстальные фазы синтезируются достаточно медленно после достижения максимальных температур саморазогрева [3]. Таким образом параметры саморазогрева определяются кинетикой синтеза интерметаллида TiAl₃.

После достижения температуры плавления алюминия, шихта имеет сложную пористую структуру, хотя можно утверждать [4], что при условии d_Al<<d_Ti каждая частица титана контактирует с расплавом. Естественно, что определить теоретически коэффициенты теплопереноса такой системы невозможно. На основании данных эксперимента можно сделать вывод, что тепловой взрыв инициируется в локальных областях шихты, характеризуемых наихудшими условиями теплоотвода, и распространяется в виде сферической волны по реакционному объему, причем температура внутри сферического объема, ограниченного фронтом горения практически (по крайней мере за время регистрации) остается постоянной. Температура вне сферического очага также постоянна и соответствует температуре плавления алюминия, таким образом основной перепад температур происходит на поверхности фронта, и следовательно данная экспериментальная методика демонстрирует возможность определения коэффициента температуропроводности в дисперсных средах с движущейся границей резкого перепада температур.

На рис.1 показана блок-схема экспериментального комплекса для исследования температурной и пространственной динамики теплового взрыва. В его состав входят: лабораторная печь типа СНОЛ-1 6.2/11-4З, в которой установлена контрольная калиброванная платино-родиевая термопара, связанная с блоком регулировки температуры типа Щ3548. Диапазон температур 200 - 1300 ⁰ C поддерживается с точностью 12,5 градуса по всему объему печи. В печной двери имеется сквозное отверстие диаметром 20 мм, через которое проводилась тепловизионная съемка и регистрация яркостной температуры на поверхности шихты. Для этого исходная смесь реагирующих компонентов помещается в металлическую оснастку цилиндрической формы с кварцевым пирометрическим окном и измерительной хромель-аллюмеливой термопарой.

Исследование быстропротекающей высокотемпературной стадии теплового взрыва проводилось по оригинальной методике яркостной пирометрии [6], с помощью высокоскоростной TV-камеры, синхронизированное с цифровой системой сбора термопарных данных через управляющую ЭВМ. Аппаратно-измерительный пирометрический комплекс “ПРИЗ 14/20", состоящий из оптической TV-камеры с логарифмическими видеоусилителями сигнала, микропроцессорного контроллера МС-2702 и блока цифровой обработки, также представлен на рис. 1, а его внешний вид на рис. 2.TV-камера яркостного пирометра содержит зеркальную оптическую систему фотоаппарата "Зенит 3Е" с телескопической приставкой ПЗФ-1 и объективом "Юпитер-37А", светофильтр ИКС-3, аппертурные диафрагмы с размером поля зрения на поверхности объекта 100 мкм, 1024 кремниевых фотоприемника (32x32 элемента) в виде интегральной МДП-фотодиодной матрицы (ФДМ) типа ФПУ-1 (МФ-14), работающей в режиме накопления заряда. Порог чувствительности ФДМ составлял 1,07 10^-13 Дж/ячейку, токовая чувствительность фотодиодов 0,25 А/Вт. Калибровочные кривые каналов пирометра, определены по вольфрамовому эталону ( лампа ТРУ 1100/2350, изготовленная и сертифицированная на харьковском заводе "Эталон") .

Кинограмма тепловизионной съемки развития локального очага воспламенения бинарной смеси Ti-Al приведена на рис. 2., где для наглядности выбрана последовательность кадров через каждые 0,1 миллисекунды, при этом максимальная скорость TV-регистрации процесса теплового взрыва со ставляла 1000 кадров в секунду.

Рис. 2. Кинограмма развития очага горения.

Анализ кинетики температурных полей, позволяет сделать вывод, что по истечении некоторого релаксационного периода фронт горения распространяется с постоянной скоростью, причем соответствующие температурные градиенты также постоянны, следовательно в качестве хорошего приближения можно применить модель стационарного фронта, удовлетворяющую классической задаче Стефана с подвижной границей [7]. При получении расчетной формулы для определения коэффициента температуропроводности будем руководствоваться следующими соображениями:

- анализируется размер сферического фронта горения значительно превышающий масштаб гетерогенности;

- исследуется кинетика изотропных очагов;

- измерения проводятся до появления второго очага горения.

Указанные соображения позволяют говорить о континуальном подходе к описанию реагирующей системы. В случае установления стационарного режима распространения фронта горения, должно выполняться соотношение:

( 1 )

Здесь производная dT/dr берется на поверхности фронта горения, q - удельный тепловой эффект реакции. С фронтом горения будем отождествлять точку, где температурный градиент максимален, т.е. точку перегиба на температурном профиле волны горения. С учетом того, что dm=r^dx (где x - координата фронта), уравнение (1) перепишется так:

( 2 )

Поделив (2) на с_р, где с_р - удельная теплоемкость, - эффективная плотность шихты, получим:

Здесь (Т_maх - Т₀) - максимальные адиабатические разогревы шихты данного состава и пористости. Таким образом, измеряя dх/dt и dT/dt в точке перегиба температурного профиля, определяем температуропроводность шихты:

( 3 )

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально подтверждено соответствие модели стационарного распространения фронта горения в экзотермически реагируюшей дисперсной системе Ti-Al в адиабатических условиях теплового взрыва.

2. В рамках применяемой модели для определения коэффициента температуропроводности достаточно экспериментальных данных о скорости движения и максимальном температурном градиенте фронта горения . Эти величины легко определяются по результатам высокоскоростной многокадровой тепловизионной съемки процесса. Так, например, на рис. 3. показано семейство температурных профилей изотропного очага горения , полученных при его регистрации через равномерные интервалы времени равные 0,2 с.

Рис.3. Семейство температурных профилей очага горения.

Здесь видно, что с одной стороны эти профили с хорошей точностью характеризуются постоянством градиента температуры, а с другой стороны скорость движения волны синтеза является величиной близкой к постоянной. Последнее иллюстрируется рис. 4. Следует отметить, что постоянство температурного градиента и скорости распространения волны горения подтверждает корректность применения формулы (3) и позволяет рассматривать коэффициент температуропроводности как константу реагирующей смеси.

Рис.4. График линейной регрессии зависимости радиуса очага горения от времени.

Из приведенной на рис.4. динамики движения, скорость фронта горения равна 15 мм/с, а температурный градиент, вычисленный по приведенному на рис. 3. семейству температурных профилей, равен 440 К/м.

В соответствии с формулой (3), оценка величины коэффициента температуропроводности дает значение а=0,23 см²/с, что удовлетворительно согласуется с величинами, приводимыми в [3] для TiAl₃ при нормальных условиях.

3. Область применения рассмотренной методики может быть распространена на аналогичные задачи. Отличительной особенностью рассмотренного примера является то, что определяется коэффициент температуропроводности сложной дисперсной структуры в самом процессе синтеза, что невозможно сделать другими методами.

Авторы выражают благодарность аспиранту Рябову С.П. за помощь в обработке экспериментальных данных.

Литература

1. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел.- М.: Изд-во “Наука” , 1964.- C 98-146.

2. Цвиккер У. Титан и его сплавы : Пер. с нем.- М.: Металлургия, 1979.- 248 с.

3. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М: “Металлургия”, 1976.- 560 с.

4. Вольпе Б.М., Евстигнееев В.В., Милюкова И.В., и др. Два механизма структурообразования в СВС-системах с интерметаллидами на диаграмме состояния // Проблемы промышленных СВС-технологий. Тр. Междунар. научно-техн. конф.: АлтГТУ.-Барнаул, 1994.- С 115-125.

5. Кирдяшкин А.И., Лепакова О.К., Максимов Ю.М. и др. Структурные преврашения компонентов порошковой смеси в волне безгазового горения // ФГВ, 1989, т.25, N6.- С. 67-72.

6. Garkol D.A., Gulyayev P.Yu., Evstigneyev V.V., Mukhachev A.B. A new procedure of high-rate brightness pyrometry for studying the SHS processes // The Phys. of Combustion and Explosion, 1994, v.30, N1.- p. 72-78.

7. Лыков А.В. Теория теплопроводности.- М: “Высшая школа”, 1967.- с. 421-427.