СВС-прессованияпри центральном зажигании

Сначала исследовался тепловой режим при синтезе типовой номенклатуры заготовок и штатных технологических параметрах процесса. Рассматривался синтез круглой заготовки из сплава TiC-20% Ni с радиусом R ₁ = 40 мм и толщиной h _заг = 2 h ₁ = 14 мм в матрице с внутренним радиусом r _м = 55 мм и наружным радиусом R _м = 62, 5 мм. Толщина песчаной оболочки составляла h _об = h ₂ - h ₁ = 10 мм; толщина инструмента h _ин = h ₃ - h ₂ = 15 мм; время задержки прессования
t _з = 0, 5 с. Решалась физически линейная задача, и теплофизические свойства продуктов синтеза определялись при температуре горения системы Ti-C-20% Ni (см. табл. 2.2).

Результаты расчета распределения температуры контактной поверхности Т _к и центра заготовки Т _ц вдоль ее радиуса r представлены на рис. 2.17.

При центральном зажигании температурное поле также характеризуется неоднородным распределением температуры по объему заготовки. Это относится как к температуре контактной поверхности заготовки Т _к, так и к температуре ее центральной части Т _ц. Неоднородность температурного поля обусловлена, во-первых, наличием трех границ контактного теплообмена: две опорные плоскости и боковая цилиндрическая поверхность заготовки. Вблизи этих границ, являющихся стоками тепла, и формируются наиболее ² холодные² зоны с высоким градиентом температуры. Кроме того, послойное охлаждение локальных объемов также обуславливает неоднородность температурного поля по пути следования фронта горения. Время послойного охлаждения t _охл при центральном зажигании определяется следующей зависимостью:

, 0 £ r £ R ₁. (2.45)

В отличие от бокового зажигания при центральном зажигании (в силу осевой симметрии задачи) после завершения синтеза в заготовке формируются не три, а две характерные зоны, связанные с соответствующей границей контактного теплообмена. В центральной части заготовки находится зона I, для которой имеет место слабая зависимость контактной температуры Т _к от времени охлаждения и координаты r – на протяжении всей зоны Т _к ~ const. При приближении к цилиндрической поверхности заготовки со стоком тепла (r ® R ₁) формируется кольцевая зона II, в которой происходит резкое уменьшение температур Т _к и Т _ц.

Р и с. 2.17. Изменение температуры контактной поверхности Т к (1¢ , 2¢ ) и центра Т ц (1, 2) по радиусу заготовки: 1, 1¢ – решение МКЭ двухмерной задачи; 2, 2¢ – аналитическое решение одномерной задачи

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 r и рассчитывалось по зависимости (2.45). При охлаждении бесконечного слоя контактный теплообмен происходит только в одном направлении – по координате z. Стационарное значение температуры Т _к для бесконечного слоя соответствует температуре Т _к0, мгновенно устанавливаемой на границе бесконечного слоя, охлаждаемого в неограниченной среде. Значение температуры Т _к0 определяется зависимостью (2.32) и для сплава Ti-C-20% Ni составляет Т _к0 = 2162 ^оС. Различие результатов численного и аналитического решений (см. рис. 2.17) не превышает 1%, и в первом приближении для оценки температурного поля в зоне I с режимом внутреннего охлаждения можно использовать аналитическое решение одномерной задачи.

На рис. 2.18 представлены результаты расчетов распределения температуры по высоте заготовки.

Р и с. 2.18. Распределение температуры по высоте заготовки: 1 – r = 0 мм (t охл = 3.2 с); 2 – r = 35 мм (t охл = 0.8 с)

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

На рис. 2.19 показано влияние толщины песчаной оболочки
h _об = h ₃ - h ₂ (см. рис. 2.16) на закономерности изменения температур Т _ц и Т _к вдоль радиуса заготовки. Согласно зависимости (2.32) с уменьшением толщины песчаной оболочки возрастает эффективный коэффициент тепловой активности К_{e 2} и уменьшаются начальная Т _к0 и текущая Т _к температуры контактной поверхности. 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. 2.19). 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 среднее значение.

Р и с. 2.19. Влияние толщины оболочки h об на распределение температуры Т ц (1, 2, 3) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ ) по радиусу заготовки при h з = 14 мм и t з = 0, 5 с: 1, 1¢ – h об = 10 мм; 2, 2¢ – h об = 5 мм; 3, 3¢ – h об = 1, 5 мм

Влияние толщины заготовки h _заг = 2 h ₁ на закономерности изменения температур Т _ки Т _цпредставлено на рис. 2.20. Варьирование h _заг при постоянной толщине оболочки h _об не оказывает влияния на значения коэффициентов тепловой активности К _e1 и К _e2 и начальную контактную температуру Т _к0. Соответственно имеет место слабая зависимость температуры контактной поверхности Т _к от толщины заготовки. Противоположным образом изменяется температура в центре заготовки. Уменьшение толщины, массы и теплосодержания приводит к ускоренному охлаждению центральных объемов заготовки и снижению ее средней температуры. Режим внутреннего охлаждения, при котором Т _к = const, сохраняется при толщине заготовки h _заг» 14 мм. Охлаждение тонких заготовок с h _заг < 14 мм происходит с большой скоростью, и режим внутреннего охлаждения не наблюдается.

Р и с. 2.20. Влияние толщины заготовки h з на распределение температуры Т ц (1, 2, 3, 4) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ , 4¢ ) по радиусу заготовки при h об = 10 мм и t з = 0, 5 с: 1, 1¢ – h заг = 20 мм; 2, 2¢ – h заг = 14 мм; 3, 3¢ – h заг = 10 мм; 4, 4¢ – h заг = 6 мм

Результаты исследования влияния времени задержки прессования t _з на тепловой режим представлены на рис. 2.21. При малых значениях времени задержки (t _з £ 2 c) температура Т _к изменяется незначительно и реализуется режим внутреннего охлаждения, при котором заметно охлаждаются внутренние объемы заготовки с температурой Т _ц. Наиболее быстро охлаждается граница зон I и II, которая в момент полного сгорания заготовки была самой горячей. С увеличением t _з за счет теплопроводности происходит выравнивание температуры Т _ц вдоль радиуса заготовки, и при t _з ³ 4 с эта высокотемпературная область исчезает.

На рис. 2.22 показано изменение температур Т _к и Т _ц в заготовке при варьировании ее радиуса R ₁. Независимо от величины R ₁ в слое формируются две характерные зоны, рассмотренные выше. Температура Т _к в соответствующих зонах имеет практически одинаковые значения. Различие габаритов проявляется в уровне температуры Т _ц: с уменьшением радиуса заготовки и пути горения время послойного охлаждения уменьшается и внутри заготовки сохраняется более высокая температура Т _ц.

Р и с. 2.21. Влияние времени задержки прессования t з на распределение температуры Т ц (1, 2, 3, 4) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ , 4¢ ) по радиусу заготовки при h заг = 14 мм и h об = 10 мм: 1, 1¢ – t з = 0, 5 с; 2, 2¢ – t з = 2 с; 3, 3¢ – t з = 4 с; 4, 4¢ – t з = 6 с

Р и с. 2.22. Влияние радиуса заготовки R 1 на распределение температуры Т ц (1, 2, 3) и Т к (1¢ , 2¢ , 3¢ ) при h заг = 14 мм, h об = 10 мм и t з = 0, 5 с: 1, 1¢ – R 1 = 40 мм; 2, 2¢ – R 1 = 30 мм; 3, 3¢ – R 1 = 20 мм

Отметим, что при центральном зажигании, так же, как и при боковом, в исследованном диапазоне варьирования технологических параметров минимальная температура расчетных точек выше эвтектической температуры системы TiC-Ni и сплав TiC-20% Ni находится в твердожидком состоянии.