Защитные покрытия, полученные в условиях СВС

Сущность самораспростроняющегося высокотемпературного синтез – процесса (СВС) сводится к следующему. В системе, состоящей из смеси порошков химических элементов, локально инициируется экзотермическая реакция синтеза. Выделившееся в результате реакций тепло, благодаря теплопередаче, нагревает соседние "холодные" слои вещества, возбуждая в них реакцию, и приводит к возникновению «самораспространяющегося» процесса. В таком процессе химическая реакция протекает в узкой зоне, самопроизвольно, перемещаясь по веществу с определенной линейной скоростью, а высокая температура, необходимая для быстрого протекания реакции, создается в результате освобождения химической энергии, запасенной в исходной системе. Протекание реакции сопровождается ярким свечением. Такой процесс является разновидностью горения и рассматривается на основе математической теории горения.

Химизм процесса может быть представлен следующим выражением:

m n

∑a_i X_i + ∑ b j Yj = Z + Q

i=l j=l

где Q - тепловой эффект;

X - Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Mo, W и др.;

Y-B,C,N,Si,Se,S,Al и дp.;

Элементы X представляют собой порошки металлов,

Y - используются в порошкообразном, жидком или газообразном состояниях, продукт Z является тугоплавким и при температуре горения находится обычно в твердом состоянии.

СВС является одним из самых высокотемпературных процессов горения ( tr = 800 - 4000°C).

В зависимости от агрегатного состояния элементов Y осуществляются три типа СВС - процессов:

1. Горение смесей порошков X и Y в вакууме или инертной газовой среде (например, получение карбидов, боридов, силицидов);

2. Горение порошков X в газообразном окислителе Y (например, получение нитридов при горении металлов в газообразном азоте);

3. Горение порошков X в жидком окислителе Y (например, получение нитридов при горении металлов в жидком азоте).

На базе СВС развиваются сейчас различные комбинированные процессы. Один из них представляет собой сочетание СВС и металлотермии. Возможны две схемы процесса:

a) MeXm + Y → MeYn + YXk

где MeXm - восстанавливаемое соединение;

Y - элемент восстановитель и окислитель;

MeYn - целевой продукт;

YXk - побочный продукт.

Пример: W0 ₃ + З В = WB + В₂0 ₃

б) MeXm + Me' + X^’ → MeXn ‘ + Me' Xk

где MeXm - восстанавливаемое соединение;

Me' - элемент восстановитель;

X' - элемент окислитель;

МеХn' - целевой продукт;

Me'Xk - побочный продукт.

Пример: МоО₃ + 2 А1 + 2 Si = MoSi₂ + А1₂0 ₃

Сущность этого комбинированного процесса заключается в том, что металл, являющийся одним из реагентов в СВС- процессе, образуется в результате металлотермической реакции, которая предшествует СВС -процессу. Элемент-восстановители и окислители могут быть как одинаковыми (вариант "а"), так и разными (вариант "б").

Наибольшее применение в настоящее время метод СВС получил для производства порошков тугоплавких соединений, хотя возможны и представляют интерес другие его применения.

Общая схема использования СВС-процессов и СВС-продуктов изображена на рис.4.19.

Рис. 4. 19. Схема использования СВС-процессов и СВС-продуктов

Тг. -температура СВС-процесса (горения);

Тпл. - температура плавления продуктов.

Микроструктуры покрытий, полученных в условиях СВС, приведены на рис.4. 20 и рис.4. 21.

Х 500 Х500

Рис. 4.20. В режиме горения СВС – систем

Рис. 4.21. В режиме теплового воспламенения СВС - систем