При боковом зажигании

Технологический цикл процесса СВС-прессования состоит из 4 последовательно протекающих стадий: 1) синтез в режиме горения; 2) временная пауза перед прессованием (задержка прессования);
3) прессование; 4) выдержка при постоянном давлении. На стадии синтеза температурное поле формируется в течение времени горения шихтовой заготовки t _г и времени задержки прессования t _з. Время горения для конкретного типоразмера заготовки является постоянным параметром. Величина времени t _з складывается из времени срабатывания исполнительной системы пресса (» 0, 5 с) и технологически необходимого времени. Временная пауза перед прессованием может быть обусловлена процессами догорания в системах с широкими зонами реакций [119], дренажированием примесных газов, задачей выравнивания температуры по объему заготовки и др. Кроме времени задержки прессования к технологическим факторам, влияющим на тепловой режим на стадии синтеза, относятся размеры оболочки и заготовки.

На первом этапе исследовался тепловой режим при синтезе типовой номенклатуры заготовок и штатных технологических параметрах процесса. Рассматривалось горение слоя из сплава TiC-20% Ni длиной l = 78 мм, что соответствует синтезу квадратной заготовки со стороной 70 мм при зажигании из центра боковой грани. Высота заготовки и слоя составляла 2 h ₁ = 14 мм; толщина песчаной оболочки h _об = h ₂ - h ₁ = 10 мм; толщина инструмента h _ин = h ₃ - h ₂ = 15 мм; диаметр матрицы D = 102 мм; время задержки прессования t _з = 0, 5 с.

Были рассмотрены два варианта: теплофизические свойства продуктов синтеза и песчаной оболочки зависят и не зависят от температуры. Для линейной задачи теплофизические свойства определялись при температуре горения системы Ti-C-20% Ni (см. табл. 2.2). Результаты расчета распределения температуры контактной поверхности Т _к и центра слоя Т _ц вдоль его длины для линейной и нелинейной моделей теплообмена представлены на рис. 2.7. Согласно полученным данным учет зависимости теплофизических свойств продуктов СВС от температуры практически не влияет на температурное поле. Этот результат следует связать с узким интервалом изменения температуры при охлаждении синтезированного материала в песчаной оболочке. Так, разность между температурой горения Т _г=2400^оС и температурой контактной поверхности Т _к» 2170 ^оС составляет
D Т = 230 ^оС. При охлаждении в этом температурном интервале коэффициент теплопроводности l _СВС и удельная теплоемкость С _СВС продуктов синтеза уменьшаются не более, чем на 5%.

Р и с. 2.7. Распределение температуры центра Т ц (1, 2) и контактной поверхности Т к (1¢ , 2¢ ) по длине слоя: 1, 1¢ – решение линейной задачи; 2, 2¢ – решение нелинейной задачи

Примерное равенство результатов решения линейной и нелинейной задач позволяет в дальнейшем рассматривать модель теплообмена без учета зависимости теплофизических свойств продуктов синтеза и песчаной оболочки от температуры. Следуя работам [6, 202], рассмотрим основные закономерности процесса теплообмена на стадии синтеза материала.

На рис. 2.8 представлено распределение температуры по длине слоя после синтеза сплава TiC-20% Ni при времени задержки прессования t _з = 0, 5 с. Характер изменения температур на контактной поверхности Т _к и в центре Т _ц показывает, что в слое формируется неоднородное температурное поле. Неоднородность температурного поля обусловлена двумя факторами. Во-первых, плоский слой конечной длины имеет четыре границы контактного теплообмена: две опорные плоскости и две торцевые плоскости. Вблизи этих границ, являющихся стоками тепла, формируются наиболее ² холодные² зоны с высоким градиентом температуры. Во-вторых, при нагреве заготовки движущимся фронтом горения время охлаждения t _охл расчетных точек зависит от их положения (координаты х) относительно плоскости зажигания:

, 0 £ х £ l. (2.31)

Р и с. 2.8. Изменение температуры контактной поверхности Т к (1¢ , 2¢ ) и центра Т ц (1, 2) по длине слоя: 1, 1¢ – решение МКЭ двухмерной задачи; 2, 2¢ – аналитическое решение одномерной задачи

По мере удаления от плоскости зажигания и увеличения координаты x время охлаждения уменьшается и температура расчетных точек заготовки повышается. Таким образом, процессу нагрева при синтезе в режиме послойного горения соответствует процесс послойного охлаждения синтезированного материала. Подобные зависимости имеют место и при синтезе сплавов TiC-28% Ni и
TiC-35% Ni.

После полного сгорания слоя в нем формируются три характерные температурные зоны, связанные с соответствующей границей контактного теплообмена (см. рис. 2.8). Вблизи плоскости зажигания находится зона I, для которой характерно наибольшее время охлаждения, и она является самой «холодной». При удалении от плоскости зажигания уменьшается действие этой границы как стока тепла и формируется зона II, для которой характерна слабая зависимость контактной температуры Т _к от времени охлаждения и координаты х - на протяжении всей зоны Т _к» const. Значение Т _к в зоне II примерно равно температуре Т _к0, мгновенно устанавливаемой на границе соприкосновения бесконечного слоя, помещенного в неограниченную среду [111]:

, (2.32)

где К_{e 1}, К_{e 2} – коэффициенты тепловой активности заготовки и оболочки,

; . (2.33)

При синтезе сплава TiC-20% Ni в песчаной оболочке Т _к0=2162^оС. Температура в центре слоя Т _ц (при y =0) увеличивается по мере удаления от плоскости зажигания и уменьшения времени охлаждения. Вблизи конечной торцевой плоскости (х = l) формируется зона III. Для этой зоны характерно резкое уменьшение температуры Т _к и Т _ц при приближении к торцевой границе контактного теплообмена, на которой закончилось горение.

На рис. 2.9 показано распределение температуры по высоте слоя (координата y) в сечениях на границе зон I и II (х = 22 мм, t _охл = 4, 2 с), в средней части слоя (х = 39 мм, t _охл = 3, 1 с) и на границе зон II и III (х = 72 мм, t _охл = 0, 9 с). Для малого времени охлаждения (кривая 3) характерно резкое различие температур центральных и контактных объемов. Внутри зоны II с увеличением времени охлаждения при практически постоянном значении температуры Т _к (для y = 7 мм) происходит выравнивание температуры по толщине заготовки за счет охлаждения центральных объемов. Тем самым в зоне II реализуется режим внутреннего охлаждения [111].

Результаты численного решения были сопоставлены с результатами аналитического решения одномерной задачи об охлаждении бесконечного слоя, помещенного в неограниченную среду [111]. Время охлаждения бесконечного слоя принималось равным времени охлаждения сечения с переменной координатой х при горении слоя конечной длины и рассчитывалось по зависимости (2.31).

Результаты аналитического решения и решения МКЭ (см. рис. 2.8) практически идентичны (различие не превышает 1%). Из этого следует, что температурное поле в зоне II с режимом внутреннего охлаждения формируется в результате одномерного контактного теплообмена на опорной плоскости заготовки.

Рассмотрим влияние различных технологических факторов на тепловой режим СВС-прессования продуктов синтеза системы Ti-C-20% Ni.

Первостепенное значение для теплового режима имеет толщина оболочки между заготовкой и инструментом. Результаты расчета показывают, что уменьшение толщины оболочки с h _об = 10 мм (рекомендация базовой технологии) до h _об = 2 мм практически не оказывает существенного влияния на температурное поле (рис. 2.10). При
h _об < 2 мм процесс охлаждения заготовки интенсифицируется, причем контактные объемы заготовки охлаждаются в большей степени, чем центральные. Этот эффект следует связать с влиянием размеров оболочки на условия контактного теплообмена. Песчаная оболочка и инструмент в совокупности представляют собой двухслойную среду. Эффективные теплофизические свойства двухслойной среды определяются размерами и индивидуальными свойствами составляющих тел. С уменьшением толщины песчаной оболочки возрастает эффективный коэффициент тепловой активности К_{e 2} и согласно (2.32) уменьшаются начальная температура Т _к0 и соответственно текущая температура контактной поверхности Т _к. Результаты численного эксперимента подтверждают эту закономерность: при уменьшении толщины оболочки с h _об = 10 мм до h _об = 1, 5 мм происходит снижение температуры контактной поверхности Т _к (см. рис. 2.10). Температура центральной части заготовки Т _ц практически не изменяется. В результате увеличивается неравномерность распределения температуры по толщине заготовки и за счет охлаждения контактных объемов уменьшается ее средняя температура. Отметим, что с уменьшением h _об происходит уменьшение длины зоны II с режимом внутреннего охлаждения и при h _об £ 1 мм она отсутствует.

Р и с. 2.10. Влияние толщины оболочки h об на распределение температуры Т ц (1, 2, 3, 4) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ , 4¢ ) по длине слоя при 2 h 1 = 14 мм и t з = 0, 5 с: 1, 1¢ – h об = 10 мм; 2, 2¢ – h об = 2 мм; 3, 3¢ – h об = 1, 5 мм; 4, 4¢ – h об = 1, 0 мм

Влияние толщины заготовки h _заг = 2 h ₁ на закономерности изменения температур Т _к и Т _ц представлено на рис. 2.11. Варьирование h _заг при постоянной толщине оболочки h _об не оказывает влияния на значения коэффициентов тепловой активности К_{e 1} и К_{e 2} и начальную контактную температуру Т _к0. Соответственно при h _заг ³ 16 мм имеет место слабая зависимость температуры контактной поверхности Т _к от толщины заготовки. Противоположным образом изменяется температура в центре слоя. Уменьшение толщины, массы и теплосодержания приводит к ускоренному охлаждению центральных объемов заготовки и снижению ее средней температуры. Охлаждение тонких заготовок с h _заг £ 10 мм происходит с большой скоростью, и в них не успевает сформироваться зона с режимом внутреннего охлаждения. С увеличением h _заг с 10 до 16 мм скорость охлаждения уменьшается, происходит повышение температуры Т _к и формирование зоны с внутренним охлаждением. При увеличении толщины заготовки свыше 16 мм температура Т _к по всей длине слоя и размеры характерных температурных зон остаются неизменными.

Р и с. 2.11. Влияние толщины заготовки 2 h 1 на распределение температуры Т ц (1, 2, 3, 4) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ , 4¢ ) по длине слоя при h об = 10 мм и t з = 0, 5 с: 1, 1¢ – h заг = 20 мм; 2, 2¢ – h заг = 16 мм; 3, 3¢ – h заг = 10 мм; 4, 4¢ – h заг = 8 мм

Важным технологическим параметром является время задержки прессования t _з [119, 276, 290]. С увеличением времени t _з происходит охлаждение слоя и постепенное уменьшение температурных градиентов по его длине и высоте (рис. 2.12). При малых значениях времени задержки (t _з £ 2 c) сохраняется режим внутреннего охлаждения, при котором заметно охлаждаются внутренние объемы заготовки с температурой Т _ц, а температура контактной поверхности Т _к практически не изменяется. Наиболее быстро охлаждается граница зон II и III, которая в момент полного сгорания заготовки была самой горячей. С увеличением времени t _з за счет теплопроводности происходит выравнивание температуры Т _ц по длине слоя, и при t _з ³ 10 с эта высокотемпературная область исчезает.

На рис. 2.13 показано изменение температур Т _к и Т _ц в слое при варьировании его длины l. Независимо от длины l после синтеза в слое формируются три характерные зоны, рассмотренные выше. Температура Т _к в соответствующих зонах имеет практически одинаковые значения. Различие габаритов проявляется в уровне температуры Т _ц: с уменьшением радиальных размеров заготовки и пути горения l время послойного охлаждения согласно зависимости (2.31) уменьшается и внутри заготовки сохраняется более высокая температура Т _ц. Этот результат не подтверждает распространенную в научной литературе точку зрения о том, что при малых размерах происходит быстрое остывание продукта и по этой причине невозможно получение высокоплотного малогабаритного изделия [156, 235]. Данные, приведенные на рис. 2.13, показывают, что высокая пористость малогабаритных изделий не связана с температурным режимом. Для выяснения причин низкой уплотняемости малогабаритных изделий необходимо провести исследование влияния размеров заготовки на закономерности пластического деформирования и уплотнения при СВС-прессовании.

Р и с. 2.12. Влияние времени задержки прессования t з на распределение температуры Т ц (1, 2, 3) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ ) по длине слоя при 2 h 1 = 14 мм и h об = 10 мм: 1, 1¢ – t з = 0, 5 с; 2, 2¢ – t з = 2 с; 3, 3¢ – t з = 10 с

Информация о тепловом состоянии необходима как для расчета зависящих от температуры реологических свойств продуктов СВС и оболочки, так и для оценки агрегатного состояния продуктов синтеза. Из анализа температурного режима продуктов СВС следует важный вывод: в широком интервале варьирования технологических параметров минимальная температура расчетных точек не опускается ниже 1700 ^оС, что выше эвтектической температуры сплава TiC-20% Ni, составляющей 1280 ^оС, и продукты синтеза находятся в твердожидком состоянии.

Р и с. 2.13. Влияние длины плоского слоя l на распределение температуры Т ц (1, 2, 3) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ )по длине слоя при 2 h 1 = 14 мм, h об = 10 мм и t з = 0, 5 с: 1, 1¢ – l = 78 мм; 2, 2¢ – l = 58, 5 мм; 3, 3¢ – l = 39 мм

Способность неравномерно нагретого тела к пластическому деформированию определяется температурой наиболее холодных зон. В нашем случае это температура контактной поверхности Т _к. Максимальное значение контактной температуры Т _кmax» Т _к0 дает верхнюю оценку температуры деформации продуктов синтеза. Область режима внутреннего охлаждения с температурой Т _кmaxопределяет объем материала с наибольшей пластичностью и уплотняемостью. Результаты вычислительных экспериментов (см. рис. 2.10, 2.11) показывают, что с увеличением толщины заготовки h _заг и оболочки h _об длина зоны одномерного теплообмена l ₂ увеличивается и при определенных значениях h _заг^* и h _об^* принимает свое максимальное значение l _2max. Соответственно минимальный размер l _1min имеет зона I двумерного теплообмена. В табл. 2.4 приведены результаты расчета предельных размеров заготовки h _заг^* и оболочки h _об^* при СВС-прессовании продуктов синтеза системы Ti-C-Ni (для всех вариантов l = 78 мм, t _з = 0, 5 с). C ростом содержания никеля и уменьшением скорости горения u _г (см. табл. 2.4) согласно (2.31) увеличивается время послойного охлаждения t _охл продуктов синтеза и время прогрева оболочки. В результате увеличиваются предельные толщины заготовки h _заг^* и оболочки h _об^*, при которых зона с режимом внутреннего охлаждения имеет максимальную длину l _2max. При росте содержания Ni происходит уменьшение параметра l _2max и объема материала с максимальной пластичностью и уплотняемостью.

Т а б л и ц а 2.4