автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Модифицирование дисперсных керамических материалов в импульсной плазме высоковольтного конденсаторного разряда

РТ6 оа

- ' О

, О

\ 3 ; "

На правах рукописи

ОРЕХОВ ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КОНДЕНСАТОРНОГО РАЗРЯДА

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 10Ш

Работа выполнена на кафедра высокотемпературных материалов Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент БЛИНКОВ И.В.

Официальные оппоненты:

чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор ЦВЕТКОВ Ю.В. кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ВЕПРИНЦЕВ В.И.

Ведущая организация: АООТ "Национальный институт авиационных технологий" '

Защита диссертации состоится " ^ " ШОНй. хддв г. на ьаседании диссертационного совета Д.053.08.03 Московского государственного института стали и сплавов по адресу: Москва, Крымский вал, дом 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Отзиви на работу просил направлять по адресу: 117930; Москьа, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

Справки по телефону: 237-22-24.

Автореферат разослан 1996 г.

Учшшй сокретарь диссертационного совота, кандидат технических наук,

доцент

ЕГ0№ЧЕВ К.Н.

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время все больший интерес проявляется к методам поверхностной обработки материалов концентрированными потоками энергии, позволяющим без изменения свойств всего объема производить локальную модификацию поверхностного слоя материала, придавая ему новые свойства.

Нарядрг с поверхностной обработкой компактных не меньшего внимания заслуживает модифицирование дисперсных материалов, как один из путей повышения эффективности процессов порошковой металлургии, сырьем дая которой эти материалы являются, и придания новых свойств изделиям, изготовленным из • модифицированных порошков.

Эффективным способом поверхностной обработки дисперсных

материалов, дающим возможность получить высокие температуры (до

50000 К) и плотности потоков энергии в течение коротких -А -Ц

промежутков времени (10 -10 с), являетдя применение такого вида.концентрированных потоков энергии как импульсная плазма высоковольтного конденсаторного разряда, в которой при относительно небольшой мощности внешнего источника электроэнергии удается реализовать пиковые мощности, недостижимые для стационарных видов разряда. Использование импульсной плазменной обработки псевдоожиженных слоев порошков и газодисперсних потоков позволило к настоящему времени осуществить процессы восстановления оксидов металлов, синтеза карбидов и композиционных материалов.

Однако, тврмическоо воздействие импульсной плазмы, определяющее полноту вше перечислении* процессов, готорогонпых

по своему характеру, ограничено длительностью разрядного импульса Ю-4 с).

В этой связи предпочтительным является использование импульсной плазмы для поверхностного модифицирования различных материалов, в основе которого лежит возможность локализации при импульсном плазменном воздействии изменений химического состава, структурных и фазовых превращений в приповерхностном слое материала. ■ •'

■ Расширение использования импульсной плазмы в атом направлении требует точного анализа ее теплового воздействия на дисперсные материалы, исследования изменений оостояния поверхностных слоев под этим воздействием, установления взаимосвязи затронутого импульсной плазмой объема . обрабатываемого материала и степени протекания изменений . химического состава, структурных и фазовых превращений с регулируемыми параметрами разряда. -

Выбор направления и объектов исследования обусловлен плановой тематикой НИР кафедры и проблемной лаборатории ВТК ИИСиС. .. ■ . >

Цель работы. Целью данной работы является изучение / модифицирующего воздействия импульсной плазмы высоковольтного

конденсаторного разряда на керамические порошки и установление взаимосвязи изменений химического состава, структурных и фазовых превращений в поверхностных слоях материалов под воздействием импульса плазмы с регулируемыми параметрами разряда.

Для достижения втой цели решались следующие задачи:

I

I) оценка температуры и динамических параметров плазмы в ' канале импульсной дуги на основании расчетов с использованием

б

МГД-модели;

2) создание с учетом особенностей теплофизических свойств керамики математической модели нагрева частиц в импульсной плазме высоковольтного конденсаторного разряда;

3) изучение закономерностей модифицирования а металлизации дисперсных частиц керамики в импульсной плазме; .

4) изучение структурных и фазовых превращений в продуктах плазменной обработки;

5) установление взаимосвязи управляющих параметров процесса модифицирования с эффективностью обработки дисперсных материалов и свойствами целевых продуктов.

Научная новизна. Г. В работе впервые на основе результатов математического моделирования определены закономерности развития импульсного высоковольтного разряда в аргоне и водороде при атмосферном давлении для электрических и геометрических параметров, реализуемых на экспериментальной установке для модифицирования дисперсных материалов. ,

2. С учетом особенностей импульсного высоковольтного конденсаторного разряда и теплофизических свойств керамических материалов предложено математическое описание теплового воздействия импульсной плазмы на находящиеся в ней частицы . конденсированной фазы.

3. На основе анализа теплового и динамического воздействия импульсной плазмы на частицы конденсированной фазы обоснована, возможность эффективного проведения модифицирования и металлизации дисперсных частиц,'основанных на локализации при имульсном плазменном воздействии структурных и фазоЕых превращений в поверхностном слое материала.

4. Изучены свойства, изменения химического состава, структурные и фазовые превращения в модифицированных порошках AlgOg, TIC и композиционных порошках керамика-металл. Изучено влияние управляющих параметров на свойства целевых продуктов и закономерности процессов модифицирующей обработки.

. 5. Обнаружено, .что модифицирующая обработка порошков приводит- к активации процессов массопереноса на начальных стадиях спекания,

6. Установлено влияние характера'межфазного взаимодействия компонентов в системе керамика-металл в хода металлизации керамических частиц, приводящего к образованию либо островковых пленок на их поверхности, либо к полной их капсюлизации.

Практическая ценность. I. Полученные предложенным в работе " . способом композиционные порошки карбид титана- никель, карбид хрома- никель были использованы для получения износостойких покрытий методом лазерной наплавки. Полученные покрытия ' отличались более равномерным распределением компонентов и повышенными эксплуатационными свойствами по сравнению с покрытиями аналогичного состава, полученными из механических смесей порошков.

2. На основании проведенных исследований Московскому заводу Технической керамики был предложен метод модифицирующей обработки в импульсной плазме порошков Al^Og, использование которш для производства пористых фильтрующих элементов позволило на 150-180 К снизить температуру спекания и улучшить фильтрующие свойства изделий.-

3. Разработанные математические модели процесса развития

импульсного конденсаторного разряда и теплового воздействия импульсной плазмы на частицы конденсированной фазы могут быть использованы для прогнозирования теплового и динамического воздействия импульсной плазмы на газо-дисперсные потоки и оптимизации соответствующих технологических процессов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 2 Московской международной конференции по композиционным материалам (г.Москва, 1994 г.), 13 научно-технической конференции "Конструкция и технология получения изделий из неметаллических материалов" (г.Обнинск, .1993 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 3 научных статьях и 2 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 128 наименований, приложений. Работа содержит 132 страницы машинописного текста, 68 рисунков, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

Во введении отмечается актуальность изучения модифицирующего воздействия импульсной плазмы на дисперсные керамические материалы и определяется используемый для этого подход, заключающийся в следующем: I) проводится моделирование развития импульсного высоковольтного конденсаторного разряда (ИВКР) атмосферного давления в аргоне и водороде; Я) о использованием полученных в результате этого характеристик ряпрядч моделируется термическое воздействие импульсной плазмы ня диошзрснно материалы; 3) с учетом установленных в ропультмто

этого закономерностей нагрева порошков на экспериментальной импульсной плазменной установке проводится модифицирование керамических дисперсных материалов и. исследуются произошедшие в них изменения химического состава, структурные и фазовые превращения, устанавливается взаимосвязь между объемом протекания этих изменений и регулируемыми параметрами разряда.

ИМПУЛЬСНЫЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ РАЗРЯД В' АРГОНЕ И ВОДОРОДЕ

В литературном обзоре проведен анализ имеющегося к настоящему времени экспериментального материала по импульсным разрядам класса, к которому относится изучаемый разряд, и рассмотрены различные типы математических моделей, используемых для описания развития импульсных разрядов.Из всех разработанных на сегодня моделей достаточно полно описать практически все стадии процесса развития импульсных разрядов в газах атмосферного давления при минимальном количестве исходных данных позволяют цагнитогидродинамические (МГД) модели, решаемые численными методами.

МГД-модель. В основе использованной одномерной, аксиально симметричной, нестационарной МГД-модели лежит система уравнений магнитной гидродинамики, включакщая уравнения сохранения массы, импульса, энергии, уравнения Максвелла, закон Ома. Система уравнений замыкается выражениями, которые представляют собой зависимости плотности, внутренней эвергии, теплопроводности, электропроводности и планковского коэффициента поглощения излучения от температуры (Т) и давления (Р) газа.

В работе использовались построенные автором таблицы свойств

\

/

плазмы аргона и водорода в широком интервале Т и Р, соответствующих условиям, реализуемым в изучаемом разряде.

Перенос энергии излучением в-тепловом балансе учитывался в

приближении оптически тонкого тела (OTT). Сравнение характерного

»

размера системы (величины■порядка длины и радиуса импульсной дуги) и средней величины пробега, рассчитанной по планковскоиу среднему для сочетаний Р и Т, реализуемых в разряда, показало ■ допустимость щюдложенного приближения.

Границей принята стенка реактора. Скорость газа на границе равна нулю из-за непроницаемости стенки. Т газа на границе считалась постоянной и равной Т стенки реактора, поскольку характерное время тепловых процессов много больше• длительности одного импульса.

В качестве граничных условий для уравнений Максвелла использовали электротехническое уравнение цепи, записанное о учетом компонентов электрической цепл разрядного контура.

Рассматривался единичный разрядный и^шульй. В качестве начальных условий задавалась узкая перегретая область у оси разряда с температурой, доотаточной для его возникновения. Вне этого канала Т газа равна Т стенки реактора, начальное давление постоянно и равно давлению в реакторе.

Результаты расчетов. В табл.1 приведены полученные из экспериментальных данных и используемые для расчетов исходные параметры: начальное напряжение на батарее конденсаторов (U); индуктивность (L) и сопротивление (г) цепи разряда; длина разрядного промежутка (h).

Период осцилляций разрядного контура (Тр) равен * 22 мко. Длительность разряда составляла % 10 TD и слабо зависела от рода

Таблица I'

Параметры разрядного контура

плазма Ь, см и.кв Ь,МкГн г ,0м ЧР

архгон 0,8 8,5 . I 0,042

водород 0,3 8 0,99 0,041

газа. Колебания силы тока и напряжения на батарее конденсаторов носят почти периодический затухающий характер.

К концу первой четверти первого- периода осцилляций разряд имеет три движущихся образования: ударную волну (УВ), оболочку <0б), токовый канал (ТК). Расширяющийся ТК имеет почти постоянную по сечению плотность газа и несколько большую температуру и плотность тока по краям по сравнению с центральной областью, что вызвано поверхностным эффектом. К концу первого периода Т в ТК падает и ее радиальное распределение принимает вид "ступеньки'' - плоская центральная часть и резкий спад на границе ТК, и далее до конца разряда может быть охарактеризовано температурой на оси- (рис.1).

В течение первого полупериода Т достигает высоких значений благодаря выделению в виде джоулева тепла значительной части энергии батареи конденсаторов. Основная часть ее уносится из нагретой зоны излучением. Температура на фронте УВ увеличивается за счет сжатия газа до 700-800 К. Возникшая УВ, дойдя до стенки реактора, отражается от нее и двигается к оси, увлекая за собой близкие к Об слои газа, двигавшиеся к стбнке. Газ, находящийся между стенкой реактора и Об,, двигаясь к центру камеры, начинает сжимать ТК- (см.рию.1>. Дойдя до оси, УВ схлопывается и-образовавшееся возмущение с небольшим перепадом давления

а - разряд в аргоне; о - разряд в водороде; Т - температура; г - радиус токового канала. '

Рис.1.

движется к стенке и, проходя по области двигающегося навстречу Газа, уменьшает скорость сжатия ТК.

Скорость УВ в начальный момент времени для разряда в аргоне составляет * 1000 м/с; в водороде - а 3000 м/с, что в 3 раза больше скорости звука при нормальных условиях. У стенки она падает до 450 м/с и 1500 м/с соответственно. При разряде в аргоне УВ доходит до стенки на 44 мкс <2Тр), сжатие ТК начинается на 93 мко (4,ЗТр) и заканчивается на 132 мно (6Тр); для водорода - на 15 мкс (0,7Тр); 31-мкс <1,4Тр) и 38 мкс <1,7Тр) соответственно. Таким образом, за время одного импульса в водо- . роде успевает проходить несколько циклов сжатия-расширения ТК.

Давление по всему сечению реактора постепенно выравнивается и к моменту прекращения разрядного тока Об как граница двух зон с разной плотность» гаяа еще .сохранятся, п

плотность в ТК примерно на два порядка меньше исходной.

. Проведенное для оценки адекватности модели сравнение имеющихся в научной литературе экспериментальных данных для разрядов в аргоне и водороде с результатами расчетов, проведенных при идентичных исходных параметрах, показало удовлетворительное качественное и количественное согласие между ними.

Проведенное моделирование развития ИВКР позволило получить пространственно-временные зависимости параметров разряда, необходимые дня моделирования процессов теплового и динамического воздействия импульсной плазмы на частицы конденсированной фазы при проведении модифицирования дисперсных материалов.

ТЕРМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫ НА ЧАСТИЦУ . КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ

Анализ литературы позволил сделать вывод о возможности применения для получения достаточно полной информации о процессах нагрева и испарения дисперсных материалов в импульсной плазме подхода на основе математического моделирования в приближении "одиночной" частицы с использованием численных методов. •

В рамках данного подхода были учтены: I) радиальное распределение Т в частице; 2) нагрев конвективной теплоотдачей и излучением; 3) зависимость твплофизических свойств керамических материалов от Т;- 4) степенная зависимость от Т плотности лучистого теплового потока.

Описание модели. При разработке модели сделан ряд

допущений: Пформа частицы сферическая; 2) испарение начинается только при достижении на поверхности частицы Т кипения (ТКШ1) '. 3) влияние испаренного вещества, окружающего частицу, па процессы тепло- и массообмена не учитывалось. Одномерная модель основана на нестационарном уравнении теплопроводности. Фазовый переход описывался добавлением к теплоемкости дополнительного слагаемого L5(T-Tf), где L - скрытая теплота плавления; б -дельта-функция Дирака, Т^ - температура фазового перехода. Испарение материала при достижении на поверхности частицы Т^^ описывалось введением в соответствующее граничное условие слагаемого L^^dr^/dt, где Ь^д - теплота испарения; р -плотность; r(t) - текущий радиус; t - время. Коэффициент теплоотдачи определялся из критериального соотношения, позволяющего учесть высокий температурный градиент в пограничном слое частицы.

■ Кратковременность одного импульса, значительно более низкие скорости частиц по сравнению со скоростью,газа и слабая радиальная зависимость Т плазмы и лучистого теплового потока позволили не решать совместно с уравнением теплопроводности уравнение движения частицы. Временные зависимости Т плазмы и плотности теплового потока (Яизл) были взяты из результатов расчетов развития ИВКР в аргоне и водороде с помощью МГД-модели. Для численного решения задачи была использована чисто неявная однородная (без явного выделения границы раздала фаз) четырвхточечная разностная схема, решаемая методом итераций в сочетании с методом прогонки.

Розультаты расчетов. На рис.2 гтриводены радиальные распределения Т в частипат Al^Og в момент достижения на их

частицы; г- пространственная координата; I- Я= 100 мкы; 2- Л» 50 шш; 3- й= 25 мкм; 4- й= 10 шш.

Рис. 2.

поверхности Тыш. В табл.2 и табл. 3 для частиц А1203 и Т1С соответственно приведены характеристики: время нагрева поверхности до температуры плавления (Т^); до Туит1;

время испарения; 11- расплавленный слой; 12~ испаренный слой. Предполагалось, что частица попала в импульсную дугу сразу после ее возникновения и не покидала ее.

Для разряда в аргоне характерен быстрый нагрев (в основном за счет излучения) поверхности частиц до Т^ и Ткип и высокий градиент Т в поверхностных слоях. После II мкс Т плазмы начинает падать, центральные области частицы начинают прогреваться и перепад Т в поверхностном слое уменьшается. При этом у частиц диаметром более ВО мкм жидкий слой кристаллизуется и к моменту затухания разряда выровнявшаяся по сечению Т существенно ниже

Таблица 2.

Результаты расчета нагрева частиц оксида алюминия

Плазма аргона , Плазма водорода

Радиус частицы, мкм Радиус частицы, мкм

100 50 25 10 ' 100 50 25

МКС 2,1 1.9 1,7 Ц4 64 4,6 2,4

V МКС 3,1 2,6 2,3 1,9 145 33 3,7

мкм 2 2,5 25 10 8 50 25

V МКС 4,5 11,2 11,3 800 180 390 122

мкм I . 1,5 1.6 10 2 8 25

Таблица 3.

Результаты расчета нагрева частиц карбида титана

Плазма аргона Плазма водорода

Радиус частицы, мкм Радиус частицы, мкм

100 50 25 10 50 25 10

V мкс 3,5 N 3,3 2,9 2,3 96 20 3

V МКС - - 3,4 - 46 4,3

мкм 2 2,5 6,25 10 50 25 10

МКС - - - 140 - 246 60

V мкм . . - - - 2,1 - 7,5 10

Гцд. Для частиц диаметрами 75-30 мкм слой жидкости сохраняется на поверхности в течение всей длительности разряда, а I к ч моменту затухания превышает Т^. Более мелкие частицы могут полностью испариться.

~ Нагрев в водородной импульсной плазме имеет ряд отличий,

связанных: I) с меньшими значениями qH3JI; 2) более высокими

I

значениями Т; 3) более высокими значениями теплопроводности плазмы. Это приводит к некоторому увеличению времени нагрева поверхности частиц до Т^ и Ткип, а границы диапазонов размеров частиц, имеющих разные характеры поведения при нагреве, сдвинуты в сторону больших диаметров. У крупных частиц расплавленный слой существует более длительное время.

Различия в поведении при нагреве частиц TiC и AlgOg вытекают из различия их теплофизических свойств: I) более ■ высоких Тцл и Т^д у TiC; 2) разной температурной зависимостью коэффициента теплопроводности: уменьшением у Al^Og и ростом у TiC с увеличением Т. Это приводит к тому, что при разряде в аргоне поверхность частиц TiC с диаметром более 80 мкм не нагревается до Т^^ градиент Т в поверхностных слоях и время существования жидкого слоя меньше, чем у частиц А1203 того же размера. Частицы диаметрами 80-30 мкм за время разряда расплавляются полностью, но их поверхность до Ткип не нагревается. Частицы меньших размеров полностью расплавляются и частично испаряются; При разряде в водороде частицы диаметрами 150-80 мкм расплавляются полностью, но по сравнению с нагревом в аргоновой плазме Т на поверхности достигает значения плавления за большее время наряду с меньшим перепадом Т по сечению частицы; Частицы диаметрами 80-30 мкм расплавляются полностью и частично испаряются. Более мелкие могут испариться полностью.

Результаты расчетов удовлетворительно совпадали с экспериментальными данными обработки узких фракций AlgOg на импульсной плазменной установке.

Наряду с изучением нагрева дисперсных керамических

материалов было оценено время соответствующих фазовых превращений частиц никеля. С учетом значительно более высоких значений коэффициента теплопроводности • для N1 по сравнению с Al^Og и Tic и возможностью в связи с этим не учитывать радиального распределения Т в частице расчеты проводились по аналитическим зависимостям. Они показали, что за время существования разряда в аргоне и водороде в импульсной дуге успевают полностью испариться частицы никеля диаметрами 15 мкм и 40 мкм соответственно.

Таким образом, разработанная модель позволила описать процессы в керамических частицах при тепловом воздействии импульсной плазмы, а также установить взаимосвязь глубины их протекания с исходными параметрами разряда, дисперсностью порошков, свойствами плазмообразующих газов.

ПРОЦЕССЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕ

В литературном обзоре проанализированы возможности использования различных видов концентрированных потоков энергии для модифицирования дисперсных материалов. Сформулированы вывода о целесообразности использования для этого электротермической низкотемпературной плазмы, в том числе и плазмы высоковольтного конденсаторного разряда.

Модифицирование керамических порошков воздействием импульсной плазмы на газодисперсныэ потоки проводилось на импульсной плазменной установке, включающей в-себя: реактор, электрическую часть, систему подачи и очистки газов, устройство

' *

подачи и выгрузки порошков. При проведении экспериментов расходы плазмообраэуадих газов (аргона и водорода) лежали в пределах 0,2-1 л/мин, порошков - 0,1-2 г/мин. Учитывая периодичность и кратковременность используемого разряда, проводилось 3 цикла обработки модифицируемого вещества, что приводило к увеличению ее равномерности и сведению к минимуму в целевом продукте необработанной части материала. Материалами для исследования являлись А120д и TIC как одни из наиболее часто используемых для получения методами порошковой металлургии керамических изделий.

В исходных порошках Al^Og и продуктах его обработки v содержание алюминия определялось бензратным гравиметрическим методом; свободного и общего углерода в НС - методом кулонометрического титрования на экспресс-анализаторе АН-7529; никеля - гравиметрическим методом, основанном на осаждении из раствора диметилглиоксимом. Фазовый состав и период решетки веществ определялись рентгеновскими методами. Спектральные анализы проведены с помощью Оже- и рертгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Металлографические исследования порошков проведены на сканирующем электронном микроскопе JSM-35, снабженном микроанализатором "Квуех"; измерение удельной поверхности - на анализаторе удельной поверхности и пористости "Acussorb 2100"; степень сфероидизации и гранулометрический состав порошков - микроскопическим методом. Оценка эффективности металлизации проводилась с использованием метода магнитной сепарации по выходу (массовой доле) магнитных частиц в продукте обработки.

Результаты экспериментов. Исходный порошок А1203 фракции 63-100 мкм марки Г00, предварительно отожженный на воздухе для

перевода всего материала в а-модификацию, представлял из себя сферолиты с достаточно развитой поверхностью. Обработка в импульсной плазме приводила к их сфероидизации, исчезновению микрорельефа поверхности и в результате этого к увеличению текучести, насыпной плотности и снижению удельной поверхности. Изучение сколов обработанных частиц показало наличие у них переплавленного поверхностного слоя, отличающегося по структуре от центральной части.

Сочетание достаточно высокой степени сфероидизации продукта обработки (до 95 % для разряда в водороде и до 85 Ж в аргоне) при незначительном изменении его гранулометрического состава по сравнению с исходным позволяет говорить о поверхностном характере обработки основной массы материала.

В переплавленном поверхностном слое частиц обработанного порошка по данным Оже- и рентгеновского фотоэлектронного спектральных анализов присутствует металлический алюминий, массовая доля которого по данным химического анализа достигает 6 %. Отсутствие линий рентгеновской дифракции металла на рентгенограммах позволяет предположить, что он находится в виде агрегатов размером, меньшим области когерентного рассеивания. Возможным механизмом .образования таких включений является конденсация из паровой фазы AI, образовавшегося из испаренного под воздействием импульсной плазмы AlgOg. В пользу этого говорит и идентичный ход зависимостей степени испарения и восстановления от дисперсности порошка.

Порошки TiC размером 40-80 мкм обрабатывались только в аргоновой плазме, чтобы исключить возможность -обезуглероживания

TiC при обработке в водородной импульсной плазме за счет

химических реакций между углеродом карбида и газовой средой.

Степень сфероидизации до 85 Ж, незначительное изменение

гранулометрического состава по сравнению с исходным, наряду с

отсутствием изменений в. химическом составе и периода решетки

свидетельствуют о достаточно полной обработке порошка и о

локализации воздействия импульсной плазмы на поверхностные слои.

■Существенное влияние на степень превращений в дисперсной фазе под

воздействием импульса плазмы оказывают размер частиц и анергия

разряда. Так при размере частиц 40-80 мкм и энергии импульса

~600 Дж воздействие плазмы локализуется только в их

поверхностных слоях. С уменьшением размера частиц до 10-20 мкм

при той же энергии импульса наблюдается заметное изменение

химического состава и периода решетки: Со0щ = 19,38 Ж;

Ссв = 0,35 56, а = 0,43283 нм И Собщ = 16,75 Ж; Ссв = 0,15 %,

а = 0,43268 нм у исходного и обработанного карбидов

соответственно, что свидетельствует о распространении

воздействия на значительную часть объема частицы. Уменьшение

энергии импульса до 200 Дж приводит снова к сосредоточению зоны

воздействия в поверхностных слоях.

О локализации структурных и фазовых превращений в

поверхностных слоях обработанных частиц карбида титана можно

в

судить по результатам спектрального анализа. Так данные Que-спектроскопии свидетельствуют о разложении находившихся на поверхности оксидной и оксикарбидной фаз и обеднении поверхности по углеродной компоненте.

Послойное определение микротвердости показало, что у обработанных частиц микротвердость достигает своего

максимального значения 27-30 ГПа в поверхностном слое толщиной 3-4 мкм, далее по мере продвижения к центру попадает до 20 ГПа, затем возрастает до 25 ГПа и далее практически не меняется.'

Повышение микротвердости в обедненных углеродом поверхностных слоях может быть вызвано термическими напряжениями, возникающими при резкой закалке расплавленных поверхностных слоев частиц.

Один из результатов модифицирования- изменение химического состава поверхностных слоев - может быть реализован в более широком интервале концентраций при введении в состав обрабатываемой шихты дополнительного компонента, например Ni при металлизации керамических порошков. С учетом полученных представлений о воздействии импульсной плазмы на металлические и керамические частицы металлизация последних может происходить, во-первых, за счет межфазного взаимодействия расплавленных металлических и оплавленных с поверхности керамических частиц; во-вторых, за счет конденсации на поверхности керамических частиц перешедшей в паровую фазу части металлической составляющей исходной шихты.

Проведенные эксперименты по металлизации порошков Al^Og и TIC никелем (рис.3) выявили зависимость результатов обработки: от расхода керамического порошка и его дисперюности, что определяет вероятность гетерогенной конденсации Ni из паровой фазы; дисперсности и концентрации никеля в газодисперсном потоке, что определяет эффективность испарения металла и его концентрацию в газовой фазе; энергии разряда, что определяет полноту перехода металлической компоненты в жидкую и паровую фазы; числа циклов обработки, что определяет ее равномерность и полноту. При металлизации степень сфероидизации керамических

Выход магнитных частиц в продуктах металлизации

К- число циклов обработки; 1,8- СгдС2-Л1; 2,3,6,7- ТЮ-Ш; 4- А1203-т; Б- ггОд-Ш; 1,2,4,5- размер частиц N1 менее 10 мкм; 3- 10-20 мкм; 6- энергия'импульса 450 Дк; 7,8- энергия импульса 600 Дк; массовая доля N1 в исходной шихте 20 Ж.

Рис.З.

порошков несколько снижается наряду с I уменьшением в продукте обработки количества порошка меньших-, чем в исходной шихте, фракций, что может объясняться как- влиянием Ы1 на параметры импульсной плазмы, так и его присутствием на поверхности керамических частиц.

Установлено влияние на эффективность металлизации (рис.За) и на структуру поверхностного металлического слоя характера межфазного взаимодействия в системе керамика-никель, количественной характеристикой которого является краевой угол' смачивания. (В проведенных для этого экспериментах, кроме указанных выше порошковых смесей Т1С-Л1 и А120д-т, использованы смеси Сг3С2-Ы1, гг02-Ы1, В4С-Ы1). В случае, когда межфазное

взаимодействие характеризуется углом смачивания, близким к 0° (системы TiC-Ni; Cr3C2-Ni), наблюдается равномерное распределение N1 по поверхности частицы и достижение ев полной капсюлизации. При этом выход магнитных частиц за один цикл обработки может достигать 7Ь%. Для систем AlgOg-Ni; Zr02-Ni; B^C-Ni (угол смачивания 87-136°) металл на поверхности керамической частицы присутствует в виде нерестекаюшихся. каплевидных образований, а также, по данным Оже-спектрюскопии, образует, по-видимому, за счет конденсации металлической составляющей шихты, перешедшей в пар, сплошной слой толщиной несколько нанометров. В исследованных композициях карбид-никель не обнаружено потери углерода (по данным химического анализа).

Установлено, что разница в Т начала усадки прессовок на ■ основе металлизированных порошков и на основе механических смесей того же состава составляет Г80 и 250 °С для композиций TiC-Ni и Al203-Ni соответственно. Одним из вариантов объяснения этого может быть, по-видимому, следующий: слои Ni на поверхности керамических частиц при их субмикронной толщине могут рассматриваться как двумерные высокодисперюные образования, которые, действуя аналогично ультрзадисперсным добавкам", могут активировать все процессы массоггереноса при спекании.

ВЫВОДЫ

I. С использованием МГД-модели, показавшей свою адекватность в качественном и количественном отношениях имеющимся экспериментальным данным, описан процесс развития

импульсного высоковольтного конденсаторного разряда атмосферного давления в аргоне и водороде. Получены необходимые для расчета теплообмена дисперсных материалов о импульсной плазмой пространственно- временные характеристики разряда: температура, плотность, скорость, давление, плотность лучистого теплового потока.

2. С учетом условий, реализуемых в ИВКР, разработана модель нагрева керамических частиц в высокотемпературном импульсном газовом потоке. Проведенные расчеты позволили описать связанные .с этим фазовые и структурные изменения, происходящие в обрабатываемом материале. Установлен характер влияния на поведение частиц в импульсной плазме управляющих параметров процесса и определена область поиска их оптимальных значений.

3. Исследован процесс воздействия ^импульсной плазмы на порошки А1203 и TIC. Изучены структурные и фазовые превращения в приповерхностных слоях керамических частиц. В частности, в поверхностных слоях обработанных в импульсной плазме частиц карбида титана выявлено обеднение по- углеродной компоненте, у обработанного порошка AlgOg - появление металлического алюминия..

4. Определена связь степени изменения химического состава, структурных и фазовых превращений в дисперсных А1203 и TIC с управляющими параметрами процесса модифицирования: напряжением на батарее конденсаторов, дисперсностью исходного порошка, свойствами плазмообразупцего газа.

5. Исследован рроцесс модифицирования оксидных и карбидных порошков путем металлизации никелем в ИКВР. Рассмотрены^свойства металлизированных порошков и влияние на них управляющих параметров процесса.

6. Показано, что результат процесса металлизации керамических частиц в импульсной плазме определяется характером межфазного взаимодействия в системе керамика-металл, показателем которого является краевой угол смачивания.

7. Для определения возможных областей применения модифицированных импульсной плазмой дисперсных материалов металлизированные порошки использованы для напыления износостойких покрытий методом лазерной наплавки. Модифицированные в импульсной плазме порошки оксида алюминия были использованы для изготовления керамических фильтрующих элементов. В обоих случаях отмечены существенные преимущества предложенных порошков по сравнению с используемыми ранее. ( В диссертации приведены соответствующие акты технических испытаний.)

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Блинков И.В., Орехов И.Е. Модифицирование (металлизация) дисперсных карбидов и оксидов в импульсной плазме конденсаторного разряда. // Физика и химия обработки материалов. - 1994. - №1. - С.58-63. •2. Орехов И.Е., Блинков И.В., Казаков O.A. Моделирование

процессов в импульсной плазме высоковольтного конденсаторного разряда. // Физика и химия обработки материалов. - 1995. -165. - С.155-169. ! 3. Орехов И.Е., Блинков И.В., Казаков O.A. Нагрев и испарение . керамических порошков в импульсной плазме высоковольтного конденсаторного разряда. // Физика и химия обработки материалов. - 1996. - Mß. - С.49-56.

4. Блинков И.В., Орехов И.Е. Композиционный материал керамика -

докл. 2 Московской международной конференции но композиционным материалам. - М.: МГУ, 1994. - С.70-71.

5. Блинков И.В., Орехов И.Е. Получение карбидной керамики из порошка, подвергнутого модифицирующей обработке в плазме. // Тез. докл. 13 научно-технической конференции "Конструкция и технология получения изделий из неметаллических материалов". 4.1 Жаропрочные неметаллические материалы. - М.: НПО "Технология", ВНИИМИ, 1992. - С.21*

металл на основе.плакированных керамических порошков. // Тез.

Заказ 9Z Объем I п.л. Тираж 100 экз. Типография Э03,МИСиС, ул. Орджоникидзе, 8/9.