Структурообразование при самораспространяющемся синтезе в ультразвуковом и центробежном полях

Минск
«Беларуская навука»

2023

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

Институт технической акустики

М. М. Кулак
Б. Б. Хина

ÑÒÐÓÊÒÓÐÎÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ 
ÏÐÈ ÑÀÌÎÐÀÑÏÐÎÑÒÐÀÍßÞÙÅÌÑß 
ÂÛÑÎÊÎÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÎÌ
ÑÈÍÒÅÇÅ Â ÓËÜÒÐÀÇÂÓÊÎÂÎÌ 
È ÖÅÍÒÐÎÁÅÆÍÎÌ ÏÎËßÕ

УДК 536.46:[534.29+621.74.042]

Печатается по решению Ученого совета Института технической акустики 
Национальной академии наук Беларуси 
(протокол № 1 от 12 января 2023 г.)

Р е ц е н з е н т ы:

академик Национальной академии наук Беларуси,  
доктор физико-математических наук,
профессор C. А. Жданок
член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси,  
доктор технических наук,
профессор Ф. И. Пантелеенко

ISBN 978-985-08-3048-7 

Кулак, М. М. Структурообразование при самораспространяющемся 
высокотемпературном 
синтезе 
в 
ультра
звуковом и центробежном полях / М. М. Кулак, Б. Б. Хи- 
на. – Минск : Беларуская навука, 2023. – 234 с. – ISBN 978-98508-3048-7.

В монографии рассматриваются эффекты, возникающие в веществе под воздействием ультразвуковых колебаний. Сформулированы требования к ультразвуковым колебательным системам. Приведен обзор работ по влиянию ультразвуковых 
колебаний на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 
(СВС). Подробно изложены вопросы влияния ультразвуковых колебаний на процесс горения систем титан – углерод – металлическая связка, титан – кремний, 
титан – бор. Описан механизм влияния ультразвука на скорость и максимальную 
температуру горения, на фазовый состав, электросопротивление и микроструктуру продуктов синтеза. Рассмотрены проблемы получения градиентных материалов 
методом СВС с наложением центробежного воздействия.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, научных и инженерно- 
технических работников, аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов, 
занимающихся исследованием, разработкой и получением новых материалов  
с уникальными свойствами методом СВС с применением ультразвуковых колебаний высокой интенсивности и центробежных сил.
Табл. 19. Рис. 97. Библиогр.: 232 назв. 

© ГНУ «Институт технической
    акустики НАН Беларуси», 2023
© Оформление. РУП «Издательский дом 
«Беларуская навука», 2023

ОГЛAВЛЕНИЕ

Предисловие .............................................................................................................6

Глава 1. Исследования влияния ультразвуковых колебаний на процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ............ 11

1.1. Процессы самораспространяющегося высокотемпературного 
синтеза: история и современные исследования ........................................... 11
1.2. Воздействие ультразвуковых колебаний на вещество. Нелинейные эффекты, возникающие в веществе под воздействием ультразвуковых колебаний. Требования к ультразвуковым колебательным системам .................................................................................................................25
1.3. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ..................................................28
Краткие выводы к главе 1 ...............................................................................36

Глава 2. Экспериментальное оборудование, материалы и методики 
проведения исследований ....................................................................................37

2.1. Экспериментальное оборудование. Методика проведения процесса СВС при физических воздействиях ....................................................37
2.2. Используемые материалы и методика приготовления образцов .........41
2.3. Методы измерения скорости и максимальной температуры го рения .........42
2.4. Методика рентгеноструктурного анализа продуктов СВС ..................44
2.5. Методика металлографических исследований, измерения электросопротивления и калориметрического анализа образцов. Исследование топологии поверхности ....................................................................45
2.6. Методика микроструктурного анализа многофазных композиционных материалов, полученных методом СВС ........................................47
Краткие выводы к главе 2 ...............................................................................52

Глава 3. Изучение влияния ультразвуковых колебаний на тепловые 
характеристики волны СВС, микроструктуру и фазовый состав продукта в многокомпонентных системах на основе карбидов .........................53

3.1. Механизм разгрузки ультразвуковой колебательной системы от 
действия статической силы поджатия ...........................................................53

3.2. Особенности СВС-процессов. Представления о механизме гетерогенного взаимодействия в волне СВС .......................................................58
3.3. Влияние ультразвука на исходную шихту и СВС-процесс ...................60
3.4. Фазовый состав продукта СВС ...............................................................64
3.5. Микроструктура СВС-продуктов ...........................................................68
Краткие выводы к главе 3 ...............................................................................79

Глава 4. Изучение влияния ультразвуковых колебаний на тепловые 
характеристики волны СВС, микроструктуру и фазовый состав продукта в системах на основе силицидов. Термодинамическое моделирование ....................................................................................................................81

4.1. Роль термодинамического моделирования при разработке новых 
материалов и методов их синтеза ..................................................................81
4.2. Обоснование методики термодинамического моделирования.  
Результаты термодинамического моделирования и их обсуждение ...........82
4.3. Взаимодействие ультразвуковых колебаний с образцами. Влияние ультразвука на характеристики горения в системе Ti–Si ......................88
4.4. Фазовый состав и микроструктура СВС-продуктов .............................95
4.5. Качественный и количественный рентгеноструктурный анализ .........96
4.5.1. Анализ параметров кристаллических структур по рентгеновским данным .......................................................................................98
4.6. Влияние отжига на продукты синтеза ..................................................101
4.7. Микроструктура СВС-продуктов в системе Ti–Si ..............................104
4.7.1. Микроструктура состава Ti–0,6Si ..............................................105
4.7.2. Микроструктура состава Ti–0,5Si ..............................................108
4.7.3. Микроструктура состава Ti–0,8Si .............................................. 112
4.7.4. Микроструктура состава Ti–0,4Si .............................................. 117
Краткие выводы к главе 4 .............................................................................123

Глава 5. Изучение влияния ультразвуковых колебаний на тепловые 
характеристики волны СВС, микроструктуру и фазовый состав  
продукта в системах на основе боридов. Термодинамическое моделирование ..................................................................................................................125

5.1. Термодинамическое моделирование СВС в системе Ti–B .................125
5.2. Экспериментальное исследование температуры и скорости горения в системе Ti–B ........................................................................................130
5.3. Рентгеноструктурный анализ и исследование микроструктуры 
СВС-продуктов ..............................................................................................132
5.3.1. Фазовый состав продуктов СВС в системе Ti–B ......................132
5.3.2. Микроструктура СВС-продуктов в системе Ti–B.....................141
5.4. Термодинамический расчет адиабатической температуры СВС  
в системе Ti–B с использованием CALPHAD-подхода .............................153
5.5. Термодинамические функции фаз ........................................................154
5.5.1. Расплав ..........................................................................................154
5.5.2. Соединение TiB2 ...........................................................................156

5.5.3. Соединение TiB ............................................................................159
5.5.4. Соединение Ti3B4 .........................................................................160
5.6. Расчет адиабатической температуры СВС: модель, результаты  
и обсуждение..................................................................................................160
5.6.1. Предварительные расчеты ..........................................................160
5.6.2. Модель для определения адиабатической температуры 
СВС .........................................................................................................162
5.7. Механизм влияния ультразвука на процессы горения и структурообразования при СВС в системах на основе титана ..............................167
5.7.1. Влияние ультразвука на кинетику взаимодействия в волне 
СВС .........................................................................................................172
Краткие выводы к главе 5 .............................................................................176

Глава 6. Получение материалов с градиентным распределением 
упрочняющих частиц методом СВС-литья....................................................178

6.1. Конвективный теплоперенос под действием центробежных сил  
в процессе СВС ..............................................................................................180
6.2. Синтез износостойких материалов на основе железа .........................193
6.2.1. Анализ влияния центробежных сил на распределение 
упрочняющих частиц  ............................................................................193
6.2.2. Металлографические исследования синтезированных образцов  .....................................................................................................196
6.3. Влияние центробежной силы на распределение упрочняющих 
твердых фаз в матрице композиционного материала ................................207
6.4. Исследование механических свойств синтезированных материалов. Испытания на износостойкость ........................................................... 211
Краткие выводы к главе 6 .............................................................................214

Заключение ...........................................................................................................216

Список источников .............................................................................................218

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последнее время энергия мощных ультразвуковых колебаний находит все более широкое применение в различных 
отраслях народного хозяйства. Основное достоинство ультразвука состоит в способности ускорять и облегчать многие технологические процессы, улучшать качество изделий, во многих 
случаях быть единственным средством осуществления технологических операций. Исследования, проведенные в последние 
десятилетия в нашей стране и за рубежом, показали преимущества нового метода обработки различных материалов. В связи 
с этим представленная книга «Структурообразование при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в ультразвуковом и центробежном полях» своевременна и актуальна как 
в научном, так и практическом плане.
В настоящей монографии приводятся результаты иссле
дования влияния ультразвуковых колебаний (УЗК) на широкий 
класс систем, используемых для получения тугоплавких соединений титана: Ti–C, Ti–C–Ni–Mo, Ti–Si и Ti–B. Выбор систем 
обоснован тем, что конечные продукты синтеза имеют различное количество равновесных соединений согласно диаграммам 
состояния. В системе Ti–C имеется только одно соединение – 
карбид титана, тогда как системы Ti–Si и Ti–B много фазные, основные фазы в них – Ti3Si, Ti5Si3, Ti5Si4, TiSi, TiSi2 и TiB, Ti3B4, 
TiB2 соответственно. По этому анализ того, как воздействие 
ультразвука на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в таких системах скажется на характеристиках распространения волны горения и структуро

образовании продуктов синтеза, представляет существенный 
научный и практический интерес.
СВС с восстановительной стадией в условиях центробежных 
перегрузок, применяемых для шлакоотделения, используется 
в основном для получения многокомпонентных сплавов и литых изделий с однородным распределением свойств по объему 
синтезируемого материала. Между тем отсутствуют работы по 
синтезу таким методом композиционных материалов и покрытий с неоднородным распределением упрочняющих карбидов 
в матрице на основе железа, в которых был бы реализован принцип Шарпи (твердые частицы в вязкой матрице), обеспечивающий высокую износостойкость продукта.
В ходе работы авторами были установлены закономерности влияния указанных физических воздействий на характеристики распространения волны реакции, температурного 
фронта и структурно-фазовые состояния соединений титана 
при СВС. Выполнены исследования градиентной структуры 
материала при СВС с окислительно-восстановительной стадией для ситуации, когда, в отличие от известного центробежного СВС-литья, в высокотемпературном расплаве про текают 
гетерогенные реакции образования тугоплавких частиц упрочняющих фаз, которые перераспределяются под дей ствием 
ЦС для получения градиентного распределения упрочняющих частиц в металлической матрице на основе железа. Результаты этой работы являются основой для развития теории 
СВС при ультразвуковом и центробежном воздействии, комплексного исследования и научного обоснования закономерностей горения и структурообразования в процессе СВС, 
а также для разработки материалов с заданными свойствами.
В выполненном исследовании авторами монографии использован подход, который можно сформулировать следующим 
образом: как управлять параметрами процесса горения в сочетании с физическим воздействием на продукты горения с целью 
получения материалов с заданной структурой и свойствами. 
Обоснование выполнимости реализации такого подхода является одной из задач проведенных исследований.

В первой главе в доступной для широкого круга читателей форме изложены история и современное состояние исследований влияния УЗК на процессы СВС. Описаны механизмы 
воздействия ультразвука на вещество. Приведены требования 
к ультразвуковым колебательным системам, обзор работ по влия - 
нию УЗК на процесс СВС.
Во второй главе изложена методика проведения исследований, описаны экспериментальные установки для СВС с наложением ультразвука различной интенсивности и центробежных сил.
Третья глава посвящена изучению влияния УЗК на тепловые 
характеристики волны СВС, микроструктуру и фазовый состав 
продукта в многокомпонентных системах на основе карбидов.
Две следующие главы (четвертая и пятая) посвящены изу
чению влияния УЗК на СВС силицидов и боридов титана. Исследовано влияние ультразвука на кристаллическую структуру 
и фазовый состав конечных продуктов синтеза. Проведено термодинамическое моделирование в системе титан–бор (Ti–B). 
Описана модель влияния УЗК на кинетику взаимодействия 
в волне СВС.
Разработана термодинамическая модель для расчета адиабатической температуры (Tad) СВС в бинарной системе Ti–B 
с использованием CALPHAD-подхода (CALculation of PHAse 
Diagrams), в котором учитывается избыточная энтальпия образования нестехиометрических твердых фаз боридов, диборидов 
и бинарного расплава. Доказано, что СВС-процесс возможен 
в том и только в том случае, когда конечное состояние системы 
при Tad приходит в двухфазную область «расплав – тугоплавкое 
соединение». Разработан механизм влияния ультразвука на процессы горения и структурообразования при СВС в системах на 
основе титана.
Предложена и обоснована концепция разделения влияния 
УЗК на СВС в бинарных и многокомпонентных системах на тепловое (макроскопическое), связанное с охлаждением образца 
из-за вынуж денной конвекции окружающего газа, вызванной 
осцилляция ми образца, и физическое (нетепловое, или микроскопическое), состоящее в изменении условий неравновесной кристаллизации твердого продукта из высокотемпературного расплава.

В последней, шестой, главе рассматриваются вопросы конвективного теплопереноса под действием массовых сил в процессе протекания синтеза и получение материалов с градиентным 
распределением упрочняющих частиц твердых материалов методом СВС-литья. Экспериментально установлено, что при СВС 
с восстановительной стадией под влиянием центробежных сил 
происходит перераспределение образующихся твердых частиц 
в расплавленной металлической матрице. Авторами исследовано формирование градиентной структуры материала при СВС 
с окислительно-восстановительной стадией для ситуации, когда, 
в отличие от известного центробежного СВС-литья, в высокотемпературном расплаве протекают гетерогенные реакции образования тугоплавких частиц упрочняющих фаз, которые перераспределяются под действием центробежных сил. Такой процесс 
близок к тиксолитью, но отличается наличием центробежного 
поля.
В синтезированных материалах реализован принцип Шарпи: в относительно мягкой основе распределены твердые дисперсные частицы карбидов, обеспечивающие высокую износостойкость. Установлено, что при использовании жидкого 
СВС-продукта для нанесения износостойкого покрытия на 
сталь методом наплавки между наплавленным составом и подложкой образуется переходный слой, который имеет промежуточный фазовый состав. Распределение карбидов имеет градиент по направлению воздействия центробежной нагрузки. 
Разработанные износостойкие материалы, получаемые методом 
СВС-литья, рекомендуется использовать для изготовления измерительного инструмента.
Результаты этих исследований являются основой для развития теории самораспространяющегося высокотемпературного 
синтеза при ультразвуковом и центробежном воздействии, для 
комплексного исследования и научного обоснования закономерностей горения и структурообразования в процессе СВС, а также для разработки процессов создания материалов с заданными 
свойствами.

Основное содержание книги составляют результаты исследований, осуществленных авторами Института технической 
акустики и Физико-технического института Национальной академии наук Беларуси, а также приведены достижения отечественных и зарубежных исследователей в области применения 
физических воздействий на процесс СВС.
Книга предназначена для научных, инженерно-технических 
работников, студентов высших учебных заведений технического профиля, занимающихся исследованием, разработкой и получением новых материалов с уникальными свойствами методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 
с применением физических воздействий (ультразвук, центробежные силы).