В условиях СВС

1.1. СВС-прессование – новый способ обработки

давлением порошковых материалов

Тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, бориды, оксиды) и материалы на их основе широко применяются в различных отраслях современной техники. Традиционно компактные материалы на основе тугоплавких соединений получают по технологиям порошковой металлургии: спеканием, горячим прессованием, горячим изостатическим прессованием и т. д. Эти технологии являются энергоемкими, многостадийными, малопроизводительными и требуют дорогостоящего специализированного оборудования с защитной атмосферой. Эти недостатки свойственны и современным промышленным методам синтеза тугоплавких соединений, особенно многокомпонентных (печной, плазмохимический методы, растворный синтез и др.).

Реакции образования многих тугоплавких соединений из индивидуальных компонентов являются высокоэкзотермическими и могут протекать в режиме горения. Эта возможность и была положена в основу нового способа получения тугоплавких соединений – самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), открытого А.Г. Мержановым, И.П. Боровинской и В.М. Шкиро в
1967 г. [117]. Главные преимущества СВС-технологий перед другими методами получения тугоплавких соединений и материалов на их основе состоят в следующем: процесс идет за счет тепла химических реакций и не требует электроэнергии для нагрева; производительность определяется скоростью горения, которая составляет 10-30 мм/с; продукты синтеза характеризуются высокой чистотой, так как температура горения составляет 2000-3000 °С и примеси разлагаются и улетучиваются; высокая температура СВС позволяет получать простые и многокомпонентные соединения в одну стадию непосредственно в волне горения.

За рубежом исследования в области СВС начали активно развиваться в 80-х гг. прошлого столетия, прежде всего в США, Японии и Китае. В последнее время активно работают исследовательские центры СВС в Индии, Польше, Южной Корее, Канаде, ФРГ, Франции, Испании, Израиле и других странах.

Среди технологических типов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза видное место занимает СВС-прессование, при котором путем обработки давлением в закрытой матрице неостывших продуктов синтеза получают высокоплотные и беспористые материалы [118, 119, 215]. Тем самым исключается наиболее энергоемкая и длительная стадия печного спекания, применяемая в порошковой металлургии. Разогрев обрабатываемого материала при СВС-прессовании происходит за счет реакции горения, и приходится предусматривать теплоизоляцию продуктов синтеза от холодного деформирующего инструмента. При СВС-прессовании эта задача решается за счет размещения горячих продуктов горения в теплоизолирующей оболочке, выполненной из сыпучего материала, и уплотнение целевого продукта осуществляется совместно с оболочкой. Синтез целевого материала из шихтовой заготовки в режиме горения происходит за 5-10 с, а общее время СВС-прессования составляет не более 10-15 мин. Изготовление аналогичной заготовки спеканием инертных порошков под давлением длится несколько часов. Технологические основы процесса СВС-прессования разработаны в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН А.Г. Мержановым, И.П. Боровинской, В.И. Ратниковым, А.Н. Питюлиным, В.А. Щербаковым, А.С. Штейнбергом, К.Л. Епишиным, Ю.В. Богатовым и В.Л. Кваниным [14, 49, 75, 145-148, 228].

Основное направление исследований в области СВС-прессования связано с разработкой принципиально новых материалов с зачастую уникальными специальными или многофункциональными свойствами. В России значительный успех в этом направлении обеспечили работы научных коллективов под руководством И. П. Боровинской и Е.А. Левашова. Среди зарубежных ученых следует отметить работы М. Коидзуми, Е. Миямото (Япония), И. К. Ла Салвиа, М. А. Мейерса (США), Юаня Рунжанга, Лай Хе Йи (Китай). В настоящее время число СВС-прессованных материалов различного назначения составляет несколько десятков [15, 58, 101, 118, 215, 223, 242, 243, 249, 250, 251, 253, 256, 259, 262, 264, 265, 268, 269, 270, 274, 276, 277, 283, 287-291].

Вместе с тем значительно меньшие успехи достигнуты при теоретическом исследовании закономерностей уплотнения и формообразования при СВС-прессовании. А.М. Столин, Л.С. Стельмах, В.А. Щербаков и В.К. Смоляков рассмотрели простейшие реодинамические модели СВС-прессования без учета оболочки и внешнего трения [175-177, 191, 195, 228]. В настоящее время задача определения плотности, формы и размерной точности спрессованного изделия решается в основном эмпирическим путем. Альтернативой дорогостоящему эмпирическому подходу является математическое моделирование. Особую актуальность вопросам математического моделирования придают высокая стоимость исходных компонентов и большая трудоемкость проведения натурных экспериментов.

Адекватная математическая модель может быть построена при строгой физической и математической формулировке краевой задачи, когда рассматривается процесс совместного пластического деформирования горячих продуктов синтеза и оболочки с реальными начальными и граничными условиями. При этом должны быть обоснованы реологические модели для материалов двух типов – порошкообразной оболочки и горячих продуктов СВС. Экспериментально установлено [215, 265], что в материалах, подвергаемых СВС-прессованию, тугоплавкие соединения образуются в виде дисперсных частиц и по своей структуре продукты синтеза относятся к порошковым материалам. Соответственно проблема математического моделирования должна решаться в рамках механики деформируемых порошковых тел.