Влияние содержания кобальта и механической активации на горение в системе Ni + Al + Co

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Система Ni + Al широко используется для получения композитных материалов [1]. Эти материалы характеризуются высокой коррозионной стойкостью и теплопроводностью, а также прочностью при повышенных температурах [2, 3].

Для получения композитных материалов часто применяют метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [4]. Интерметаллиды на основе алюминида никеля получают методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), порошковой металлургии, и механосинтеза [5–7]. Многие работы посвящены СВС в системе Ni + Al c дополнительным элементом или фазой в составе, которые добавляются для улучшения эксплуатационных характеристик получаемых материалов [7–14].

Кобальт является одним из возможных кандидатов среди металлов на использование в качестве добавки для улучшения свойств материала на основе NiA. Система Ni + Al + Co привлекательна с точки зрения широкого выбора различных комбинаций фаз (γ + β, γ ′ + β, γ + γ ′ + β, γ + γ ′), где за счет интерметаллидов β (Ni, Co)Al и γ ′ (Ni, Co) ‧ 3Al можно получить сочетание низкой плотности, высокой жаростойкости и прочности, а γ-твердый раствор (Co, Ni) придает пластичность всей композиции. Исследования различных сплавов на основе системы Ni + Al + Co показали, что приемлемые пластичность и прочность можно получить в сплавах со структурой β/γ ′/(Co, Ni), модифицированных титаном и бором [15, 16]. В системе Ni + Al + Co получают сплавы с памятью формы [17–19], также сплавы Гейслера [13].

Популярным методом изменения реакционной способности порошковых смесей является механическая активация (МА) [7, 8, 11, 12, 20, 21]. Описаны случаи реализации процесса горения после МА в порошковых смесях, не горящих в обычных условиях [21].

Цели данной работы – исследование СВС в системе Ni + Al + Co и изучение влияния механической активации и содержания кобальта на процесс горения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовался порошок алюминия марки АСД-4 (средний размер частиц – 10 мкм), карбонильный никель марки ПНК (средний размер частиц – 10 мкм) и порошок кобальта марки ПК-1у с размером частиц менее 71 мкм.

Смеси порошков Ni + Al + xCo готовились при перемешивании исходных компонентов в фарфоровой ступке в заданном количестве (значение х менялось от 0 до 60 мас. %).

Механическая активация смесей осуществлялась в механоактиваторе АГО-2 с водяным охлаждением при ускорении 90g в воздушной атмосфере. В качестве размольных тел использовали стальные шары диаметром 9 мм. Продолжительность МА составляла 5 мин, соотношение массы шаров к массе смеси в барабанах активатора – 20 : 1.

Для исследования горения из активированных и исходных смесей прессовались цилиндрические образцы высотой 1.4–1.5 см и диаметром 1 см. Значение давления прессования образцов составляло 100 кг/см² для исходных смесей и 105–115 кг/см² для активированных. Масса образцов увеличивалась от 3.2 до 4.2 г с ростом содержания кобальта в составе смеси для поддержания относительной плотности образца в интервале 0.55–0.58.

Процесс СВС осуществлялся в камере постоянного давления в инертной среде аргона при давлении 760 Торр [7, 8, 11, 12, 21]. Процесс горения инициировался через поджигающую таблетку состава Ti + 2B с верхнего торца образца нагретой вольфрамовой спиралью для обеспечения стабильных условий зажигания. Максимальная температура синтеза измерялась вольфрам-рениевой термопарой ВР5/ВР20 с толщиной спая 0.2 мм. Термопара вводилась с нижнего торца образца по его оси на 4 мм. При покадровом просмотре видеозаписей определялась скорость горения образцов. За относительное удлинение сгоревших образцов принималось отношение их высоты к высоте исходных образцов.

Каждое значение максимальной температуры, скорости горения и относительного удлинения образцов определялось как среднее по результатам нескольких экспериментов и имело погрешность в пределах 10%. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили с использованием дифрактометра “Дрон-3” на CuK_α-излучении. Фракционный состав и распределение частиц смеси по размеру определяли по стандартной методике на лазерном анализаторе “Микросайзер-201C”. Погрешность измерений не превышала 1.2 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рентгенофазовый анализ активированных смесей Ni + Al + xCo показал, что в процессе МА продолжительностью 5 мин формирование новых фаз не происходит. Во всем исследованном диапазоне значений х на рентгенограммах активированных смесей наблюдались пики, соответствующие всем исходным компонентам – Ni, Al и Co (рис. 1).

 

Рис. 1. Результаты РФА активированных смесей Ni + Al + xCo при х = 10 (а)и 50 мас. % (б). Цифрами обозначены рефлексы пики следующих фаз: 1 – Ni, 2 – Al, 3 – Co.

 

Предыдущие исследования показали, что в процессе активации порошковых смесей металлов исходные частицы деформируются, разрушаются и агломерируются [7, 11, 12, 20–22]. С увеличением содержания кобальта в смеси Ni + Al + + xCo уменьшается количество пластичного алюминия, что ухудшает агломерирование частиц исходных компонентов в процессе МА. В результате можно видеть, что средний размер композитных частиц, образовавшихся в процессе активации смеси Ni + Al + xCo, уменьшается с увеличением содержания кобальта в смеси (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц активированной смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта.

 

Образец из исходной смеси Ni + Al сгорел полностью. При этом скорость горения составила 0.5 см/с, максимальная температура горения – 1500 °С, относительное удлинение образца продуктов – 7%. Образцы из исходной смеси горят в нестационарном режиме, когда стадия депрессии сменяется быстрым сгоранием прогретого слоя вещества, образовавшегося на стадии депрессии. При сгорании прогретого слоя температура горения превышает адиабатическую температуру горения [23]. При внимательном рассмотрении внешнего вида сгоревшего образца из исходной смеси Ni + Al, видно, что он состоит из чередующихся слоев продукта, разделенных поперечными трещинами, которые образовались в момент вспышки за счет выхода примесных газов (рис. 3а). При добавлении в исходную смесь 10 мас. % кобальта образец не догорал до конца, сгорал лишь небольшой его фрагмент, после чего горение прекращалось. Фотографии образцов продуктов горения исходной смеси Ni + Al и частично сгоревшего образца из смеси Ni + Al + 10%Co представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Фотографии образцов продуктов горения исходной смеси Ni + Al (а) и частично сгоревшего образца из смеси Ni + Al + 10%Co (б).

 

Механическая активация смесей Ni + Al + xCo позволила реализовать горение прессованных образцов. Предельное содержание кобальта, при котором образцы из активированных смесей Ni + Al + xCo сгорали полностью при комнатной температуре, составило 50 мас. %. При содержании кобальта в МА-смеси 60 мас. % образцы не горели при заданных условиях.

После МА многократно возросли скорость горения и удлинение образцов продуктов (рис. 4, 5). Кроме того, увеличилась максимальная температура горения образцов (рис. 6).

 

Рис. 4. Зависимость скорости горения образцов из исходной (○) и активированной (■) смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта.

 

Рис. 5. Зависимость относительного удлинения сгоревшего образца от содержания кобальта из исходной (○) и активированной (■) смеси Ni + Al + xCo.

 

Рис. 6. Зависимость максимальной температуры горения образцов из исходной (○) и активированной (■) смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта.

 

Удаление диффузионных затруднений и возрастание площади контакта между компонентами активированной смеси приводят к увеличению скорости горения после МА. Это факт отмечался ранее при горении системы Ni + Al c добавками различных металлов [11, 12].

Удлинение образца продуктов в ходе синтеза происходит из-за выделения примесных газов за фронтом горения [11, 12, 21, 24, 25]. В процессе МА в активируемую смесь вносятся дополнительные примесные газы, что приводит к возрастанию удлинения образцов продуктов синтеза смесей [26–28].

Зависимость скорости горения образцов из активированной смеси Ni + Al + xCo от содержания кобальта имеет максимум при х = 10 мас. % (рис. 4). Вероятно, при добавлении в смесь Ni + + Al 10 мас. % кобальта преобладающим над уменьшением теплового эффекта реакции фактором является сокращение количества выделяющихся при горении примесных газов. При возрастании содержания кобальта в смеси уменьшается температура горения (рис. 6) и, соответственно, количество выделяющихся при синтезе примесных газов. В соответствии с конвективно-кондуктивной моделью горения уменьшение давления примесных газов, выделяющихся перед фронтом горения, приводит к увеличению скорости горения [29]. Другим возможным обьяснением уменьшения скорости горения при увеличении количества примесных газов, выделяющихся перед фронтом горения, является уменьшение теплопроводности образца в зоне прогрева за счет разрыхляющего действия примесных газов [30].

При дальнейшем возрастании содержания кобальта в смеси Ni + Al (более 10 мас. %) доминирующим фактором является уменьшение теплового эффекта реакции из-за уменьшения максимальной температуры горения (рис. 6), что приводит к снижению скорости горения образов (рис. 4). Удлинение образцов продуктов синтеза активированных смесей Ni + Al + xCo уменьшается из-за снижения количества выделяющихся при синтезе примесных газов с увеличением содержания кобальта (рис. 5).

Согласно результатам РФА на рентгенограммах продуктов горения активированных смесей Ni + + Al + хCo наблюдаются пики твердого раствора на основе интерметаллида NiAl, в котором часть атомов никеля замещено атомами кобальта. При содержании в смесях кобальта 30 мас. % и более на рентгенограммах продуктов синтеза наблюдаются пики еще одной фазы – твердого раствора на основе интерметаллида Ni₃Al (рис. 7).

 

Рис. 7. Результаты РФА продуктов горения активированных смесей Ni + Al + xCo при х = 10 (а), 30 (б) и 50 мас. % (в). Цифрами обозначены пики следующих фаз: 1 – твердый раствор NiAl(Co), 2 – твердый раствор Ni₃Al(Co).

 

После МА образцы из смесей Ni + Al + хCo сгорали в стационарном режиме значительно быстрее, чем образцы из неактивированной смеси. Поперечные трещины на образцах продуктов МА-смесей не наблюдались (рис. 8). В процессе активации в обрабатываемую реакционную смесь вносятся дополнительные примесные газы. Выделение этих газов при горении образцов из активированных смесей приводит к образованию высокопористых и непрочных продуктов реакции из слабоспеченных сохранившихся частиц [11, 12, 22].

 

Рис. 8. Фотографии образцов продуктов горения активированных смесей Ni + Al + xCo при х = 10 (а), 20 (б), 30 (в), 40 (г), 50 мас. % (д).

 

Результаты данной работы могут быть использованы при получении интерметаллидов в системе Ni + Al + Co.

ВЫВОДЫ

1. Механическая активация смесей Ni + Al + + хCo позволила реализовать горение образцов без предварительного подогрева.
2. С увеличением содержания кобальта уменьшаются размер композитных частиц, максимальная температура и удлинение образцов продуктов горения МА-смесей Ni + Al + хCo.
3. После активации многократно увеличиваются скорость горения и удлинение образцов продуктов, а также возрастает температура горения.
4. Зависимость скорости горения МА-смесей от содержания кобальта немонотонна: имеет максимум при содержании кобальта 10 мас. %.
5. Синтезированы твердые растворы на основе интерметаллидов NiAl и Ni₃Al.

Авторы работы признательны М.Л. Бусуриной за определение среднего размера композитных частиц активированных смесей.

Об авторах

Н. А. Кочетов

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolyan_kochetov@mail.ru
Россия, Черноголовка

И. Д. Ковалев

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Email: kolyan_kochetov@mail.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

Дополнительные файлы