Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование связанных процессов в реагирующих средах. Монография
.pdf
3.10.Оценкадостоверностирезультатоввычислительныхэкспериментов
3.10.Сравнениерезультатов
вычислительныхэкспериментов
помоделированиюпроцессовударногосинтезаTiC
сэкспериментальнымиданными
Достоверность результатов компьютерного моделирования
механохимических процессов в ударно нагруженных химически
реагирующих порошковых смесях можно оценить, сравнив прогнозируемые условия ударного запуска химических превращений и степень химических превращений вещества в порошковой
системе Ti-C с экспериментальными данными. В работах
А. Гордополова [40; 324] приведены результаты эксперимен-
Ю.
тальных исследований поведения ударно нагруженной порошковой смеси Ti-C при различных амплитудах ударного воздействия. В экспериментах использовалась смесь порошков титана и
графита в стехиометрическом соотношении (50/50) дисперсностью порядка 20 и 5 мкм соответственно. Средняя исходная пористость лабораторных образцов составляла 30
экспериментальной установки обеспечивала возможность представить фронт ударного импульса плоским и пренебречь воздействием отраженной волны и волны разгрузки [40].
Результаты показали, что в области давлений 5,6 ГПа химические реакции в рассматриваемой порошковой смеси не инициируются. С ростом амплитуды ударного импульса при давлениях,
существенно превышающих 5,6 ГПа, наблюдается протекание
ударно-
волнового режима синтеза. При этом послойный характер
химических превращений вещества обеспечивается в процессе
инициирования соседних слоев и распространения зоны реакции
по веществу за счет ударного сжатия и высокоскоростного деформирования вещества [324]. Ударно-волновой режим синтеза карбида титана при значениях амплитуды давления ударного импульса, превышающих 5,6 ГПа, определяется Ю.
сравнением экспериментально полученной кривой ударного сжатия порошковой смеси Ti-C с расчетной ударной адиабатой, по-
%. Конструкция
А. Гордополовым [40]
161
3.Алгоритмисхемарасчета
строенной в предположении отсутствия химического превращения. В таблице 5 приведены результаты, представленные в работе
[40] и характеризующие зависимость степени химического превращения реагирующего вещества в порошковой смеси Ti-C от
амплитуды давления ударного воздействия.
Таблица 5
Результаты лабораторного эксперимента
Амплитуда ударного импульса, ГПа 5,6 14,5 24
Наличие химической реакции, масс %
— 0 + /–
>50 + 100
Примечание. + — полное химическое превращение смеси реагирующих компонентов; — означает отсутствие следов химической
реакции; + /– — степень превращения вещества более 50
%.
Для сравнения с экспериментальными данными проведен
вычислительный эксперимент по моделированию ударного уплотнения порошковой смеси Ti-C [81; 85]. Все параметры рассматриваемой модельной структуры согласованы с условиями
эксперимента [40], параметр макроскопической структуры концентрационной неоднородности принимался как b/a = 1,45. Выбор значения параметра b/a = 1,45 обоснован сопоставлением
прогноза выхода продуктов реакции с данными лабораторных
экспериментов. Изучался порошковый
слой, состоящий из последовательности двух реакционных ячеек. Распределения исходных концентраций компонентов и удельного объема пор
модельной порошковой смеси Ti-C приведены на рисунке 11.
На рисунке 12 приведены результаты прогноза распределений по толщине слоя реагирующих компонентов концентраций продукта реакции и пористости для амплитуд давления
ударного импульса 14,5 и 24 ГПа соответственно. Для
давления ударного импульса 5,6 ГПа ударный запуск химических
превращений в модельной порошковой смеси не реализуется.
162
3.10.Оценкадостоверностирезультатоввычислительныхэкспериментов
C, П
0.6
2
0.4
3
0.2
1
0
b
2b
Рис. 11. Распределения исходных концентраций компонентов смеси
и удельного объема пор:
b/a = 1,45; П0 = 0,3; T0 = 293 K
2b
C, П
0.8
0.6
0.4
0.2
0
P
= 2,861 мкс
2
2
b
= 24 ГПа
f
б
1
2b
C, П
0.8
0.6
0.4
0.2
0
2
= 14,5 ГПа
P
f
а
1
b
Рис. 12. Распределения относительного объема пор (линия 1)
и концентрации продукта реакции (линия 2)
на момент времени t
Из анализа зависимостей массовой доли прореагировавших
компонентов смеси от времени синтеза, приведенных на рисунке 13, можно сделать вывод, что для амплитуды ударного импульса P
= 14,5 ГПа массовое содержание продукта ударно-за-
f
пущенных химических превращений составит > 70 %, а для
P
= 24 ГПа прогнозируется практически полное химическое
f
превращение реагирующих компонентов (~ 90 %). При этом,
163
3.Алгоритмисхемарасчета
как следует из результатов, приведенных на рисунке 12, в случае нагружения смеси импульсом амплитудой P
= 24,0 ГПа,
f
ударный синтез за время действия импульса механической нагрузки инициируется во всем объеме реагирующего материала.
0.9
2
0.6
0.3
0
048
1
-6
с
t, 10
Рис. 13. Зависимости массовой доли прореагировавших компонентов
смеси от времени синтеза: 1 — P
= 14,5; 2 — Pf = 24 ГПа
f
Полученные результаты компьютерного моделирования
хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведенными в таблице 5. Последнее позволяет сделать заключение о достоверности разработанного подхода компьютерного
моделирования процессов динамического уплотнения химически реагирующих порошковых компактов.
3.11.УсловияприменимостизаконаДарси
Закон Дарси, используемый в модели для определения скорости фильтрации (2.52), применим только для ламинарного
режима. Таким образом, фильтрационное течение, подчиняющееся закону Дарси, — частный случай так называемого ползущего течения, для которого характерно преобладание вязких
164
3.11.УсловияприменимостизаконаДарси
сил над инерционными. Максимально допустимые значения
числа Рейнольдса течения, подчиняющегося закону Дарси
[325], очень малы:
vd
2
Re
13
l
,6
M
(3.8)
где М — вязкость расплава.
Поэтому значения параметра Рейнольдса применительно к
материалам, исследуемым в данной работе, должны контролироваться для каждого вычислительного эксперимента. В качестве легкоплавкого компонента выступают Al, Ti, Zr для порошковых систем Ni-Al, Ti-C, Zr-B соответственно.
При прочих равных условиях наименьшей вязкостью обладает расплав алюминия, что позволяет для оценки адекватности
разработанного алгоритма
компьютерного моделирования рассмотреть диапазон возможных изменений чисел Рейнольдса
фильтрационного течения расплава алюминия в системе Ni-Al.
В таблице 6 приведены значения параметров модели реагирующей порошковой смеси Ni-Al в рассматриваемых вычислительных экспериментах и диапазон изменения соответствующих выражению (3.8) чисел Рейнольдса.
Таблица 6
Характеристики состояния реагирующего слоя
Линейная
Мате-
скорость
риал
фильтра-
ции v, м/с
Al 0,2—2,5 5—10 2105—2385 0,00125 0,2—0,45 0,35—5,2
Размер
частиц
твердой
фазы d, мкм
Плотность
ρ
, кг/м
l
3
Вязкость
M, Па · с
Порис-
тость П
Параметр
Рейнольд-
са Re
Как следует из результатов, представленных в таблице 6,
значения параметра Рейнольдса для рассмотренной системы
Ni-Al согласуются с ламинарной фильтрацией, что дает основание в процессе моделирования движения расплава легкоплавкого компонента применять закон Дарси.
165
6
4.ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙЭКСПЕРИМЕНТ
4.1.Объектисследования
В качестве объекта исследования выбраны порошковые
системы типа Zr-B, Ni-Al, Cu-Al. Моделировалось поведение
порошковых смесевых компактов, в которых реагирующие
компоненты прошли предварительную механическую активацию и способны к самораспространяющемуся высокотемпературном синтезу (СВС). Изучались физико-химические механизмы взаимодействия в порошковых смесях реагирующих
компонентов и инертного наполнителя с макроскопическим
соотношением реагирующих компонентов, отвечающих
хиометрии анализируемых химических реакций, а в качестве
инертного наполнителя рассмотрены порошковые частицы соответствующих продуктов химических превращений.
Развитие методов моделирования механохимических процессов в реагирующих порошковых смесях определяется потребностью создания технологий получения конструкционных
материалов, обладающих высокими удельными прочностными, упругими характеристиками, износостойкостью и окалиностойкостью при повышенных температурах. К
таким материалам относятся интерметаллиды, карбиды и бориды переходных металлов. Интерметаллиды занимают промежуточное
место между металлами и керамиками как по типу химической
связи, так и по свойствам. Интерметаллиды имеют лучшую
сте-
16
4.1.Объектисследования
обрабатываемость, чем керамики. Наряду с определенной пластичностью они сохраняют свою структуру и прочность при
высоких температурах, обладают хорошими антикоррозионными и антифрикционными свойствами, в чем значительно
превосходят обычные металлы. Среди наиболее привлекательных свойств интерметаллидов можно выделить их прочность, которая не деградирует с возрастанием температуры;
аномальную зависимость предела текучести
; низкую плотность интерметаллидов на основе Al, Ti, Si, что приводит к
высокому отношению прочности к плотности; упругие модули; хорошую стойкость к окислению, которая свойственна
интерметаллидам с большим содержанием Al. Область применения указанных соединений обширна: компоненты двигателей, реактивные сопла, элементы обшивки космических аппаратов, сотовые конструкции сверхзвуковых летательных аппаратов и
элементы их теплозащитных систем, высокотемпературные штампы и формы, зажимные приспособления в высокотемпературных печах, роллеры для прокатки стальных слябов, детали роторов гидротурбин, режущий инструмент. Кроме того, диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди,
чугуна, стали и других металлов используют для изготовления
термопар, работающих при температуре свыше 2000 C в
агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей, как нейтронопоглощающий материал для ядерных реакторов и как компонент
жаропрочных сплавов. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.
Рассмотренные реагирующие порошковые системы хорошо изучены экспериментально, в условиях интенсивного механического воздействия в них наблюдается образование однофазных продуктов
реакции. Механохимические процессы в
порошковых смесевых средах типа Cu-Al, Ni-Al отражают все
особенности поведения экзотермически реагирующих порошковых систем «металл — металл». Присутствие среди компонентов анализируемой порошковой среды высокопластичного
и легкоплавкого алюминия позволяет исследовать влияние
конвективных механизмов тепло- и массопереноса на реализа-
167
4.Вычислительныйэксперимент
цию различных режимов протекания процессов синтеза, формирование структуры прореагировавшего порошкового компакта. Поведение порошковой смеси циркония и бора — это
пример специфического поведения высокоэнергетических
реагирующих порошковых сред в условиях интенсивного механического воздействия в системах «металл — неметалл» с
учетом возможности образования газовой фазы бора.
4.2.МоделированиепроцессовСВС
В рамках развитого метода компьютерного моделирования
механохимических процессов в химически реагирующих порошковых системах, подвергнутых интенсивному механическому воздействию, исследование процесса СВС является обязательным этапом для каждой реагирующей порошковой системы. На этом этапе определяется согласующий макрокинетический параметр (предэкспоненциальный множитель) модели
реакционной ячейки через сравнение с известными экспериментальными данными с различными концентрационными и
структурными характеристиками, производится оценка достоверности результатов моделирования, исследуются факторы
условий и режимов синтеза.
Процессы СВС также могут быть изучены в процессе вычислительного эксперимента, моделирующего физико-химические процессы в реагирующей порошковой смеси без
внешнего механического воздействия, например синтез алюминидов никеля и меди. СВС в порошковой системе Ni-Al характеризуется энергией активации химических превращений
= 134 кДж/моль и начинает взаимодействовать при темпе-
E
0
ратуре, близкой к температуре плавления алюминия [4]
(925 К), а адиабатическая температура горения смеси может
достигать температуры плавления образующегося алюминида
никеля. Реакция синтеза выражается уравнением
Ni + Al = NiAl + Q при Q = 1377,983 кДж / кг [4].
168
4.2.МоделированиепроцессовСВС
В отсутствие механического воздействия горение в системе Cu-Al, стехиометричной для образования Cu
Al, иницииру-
3
ется при температуре 808 К и характеризуется энергией активации E
= 180 кДж/моль [4]. Уравнение реакции представля-
0
ется в виде
3Cu + Al = Cu
Al + Q при Q = 315,9836 кДж/кг.
3
Проведен вычислительный эксперимент по моделированию механохимических процессов самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni-Al для различных значений исходной концентрации
разбавителя (Ni-Al) и начальных температур Т
— 298 и 740 К
0
соответственно.
Все константы и функции, отражающие физические, теплофизические и механические свойства компонентов порошковой смеси, взяты из литературы [326—331].
Моделировались процессы горения порошковых систем
Ni-Al и Cu-Al, разбавленных конечным продуктом. Рассмотрен реагирующий слой толщиной 0,02 м, образованный из
частиц размером 50 мкм. Доля легкоплавкого компонента,
сконцентрированная у передней грани реакционной ячейки
δ = 0,6. Концентрации компонентов по всему объему порошковых смесей полагались однородными (для гладкой функции
распределения
b/a = 1,25 и b/a = 0,9 для смесей Ni-Al и Cu-Al
соответственно).
Концентрации компонентов согласованы с условиями лабораторных экспериментов, представленных в работе [4].
Результаты вычислительного эксперимента по определению скорости V горения системы Ni-Al в зависимости от концентрации разбавителя C
для различных исходных темпе-
NiAl
ратур представлены точками на рисунке 14 в сравнении с экспериментальными кривыми [4].
На рисунке 15 отражены аналогичные результаты моделирования процессов СВС в системе Cu-Al в сравнении с экспериментальными данными [4].
,
169
4.Вычислительныйэксперимент
V
v,
CM/C
3
2
1
1
2
v,
CM/C
16
12
8
4
1
2
0
0102030
= 293 К
Т
0
а
C
,%
NiAl
0
0 10203040
Т
= 740 К
0
б
C
,%
NiAl
Рис. 14. Зависимость скорости горения
от концентрации инертного разбавителя:
1 — экспериментальные данные [4]; 2 — результаты расчета
,
CM/C
0.4
0.2
1
2
0
C
, %
0 102030
Cu3Al
Рис. 15. Зависимость скорости горения
от концентрации инертного разбавителя Т
1 — экспериментальные данные [4]; 2 — результаты расчета
= 740:
0
Как видно из представленных результатов, увеличение исходной концентрации инертного наполнителя приводит к
уменьшению скорости горения. Результаты вычислительных
экспериментов хорошо согласуются с экспериментальными
данными.
170
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]