Сибирские ученые рассчитали процесс горения в порошковой смеси из никеля и алюминия

Разработанные математические модели позволят прогнозировать протекание сложных термических процессов в порошковой смеси NiAl и выбор оптимального времени механической активации смеси. Полученные результаты будут полезны при разработке экономически выгодной технологии синтеза композиционных материалов на основе никелида алюминия, которые характеризуются высокими показателями стойкости и пластичности.

Получение интерметаллидов – химических соединений нескольких металлов – для создания композиционных материалов с уникальными свойствами относится к числу самых значимых задач современного материаловедения. Сейчас активно развиваются технологии порошковой металлургии, в том числе и с применением методов высокотемпературного синтеза. Поэтому важно получить полное представление о ходе этого процесса, описать оптимальные условия для его протекания.

В своем исследовании ведущий научный сотрудник Томского научного центра СО РАН, профессор ТГУ Вадим Прокофьев и главный научный сотрудник Института водных и экологических проблем СО РАН, профессор Алтайского государственного технического университета в Барнауле Валерий Филимонов использовали методы численного математического моделирования. С их помощью ученым удалось показать протекание процесса высокотемпературного синтеза в механически активированной порошковой смеси из никеля и алюминия в условиях нагрева системы внешним источником. Таким образом, были подтверждены экспериментальные данные. Одним из самых значимых результатов стало то, что исследователи впервые предложили критерии зависимости температуры воспламенения смеси от времени, затраченного на активацию механической смеси.

«На первой стадии происходит измельчение смеси с использованием специализированных планетарных мельниц, что позволяет сформировать нужную структуру порошка, очистить его от окислов и примесей, – рассказывает Вадим Прокофьев. – Затем из полученного порошка формируется нужный образец, который подвергается высокотемпературному синтезу. Благодаря предварительному измельчению частиц упрощается процесс проведения химической реакции, снижается ее активационный барьер».

Ученые представили описание процесса динамического теплового взрыва. Одним из интересных моментов стало установление критериев зависимости температуры воспламенения от оптимального времени механической активации смеси, что позволит прогнозировать оптимальные условия для организации процесса горения. Полученные математические модели могут в будущем применяться и для других смесей.

Ранее несколько групп исследователей из России и США рассмотрели эти процессы и представили результаты своих экспериментальных работ на примере смеси никель-алюминий, которая является одной из самых распространенных. Теперь экспериментальные данные дополнены расчетами, полученными с помощью методов математического моделирования.

Сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментальных данных, полученных при исследовании высокотемпературного синтеза интерметаллида NiAl в механически активированной порошковой смеси никеля с алюминием, приведен в статье «High-temperature synthesis in activated powder mixtures under conditions of linear heating: Ni-Al system», которая будет опубликована в журнале первого квартиля Combustion and Flame в начале 2021 года.

Читать также