Разработка научных основ высокоэффективных технологий получения консолидированных материалов методами горения под силовым воздействием

Для получения тугоплавких неорганических материалов (керамики, композиционных материалов и сплавов) и их промышленного производства наиболее широко используют методы сплавления, спекания и горячего прессования. Большие возможности для создания новых материалов имеет самораспространяющийся высокотемпературный синтеза (СВС), основанный на горении. Достоинствами этого метода являются малые энергозатраты, высокое качество материалов и производительность, которая определяется высокой температурой и скоростью горения (длительность синтеза не превышает 2-3 минуты). Высокая температура, необходимая для проведения синтеза, обеспечивается внутренними химическими источниками высоко экзотермических исходных составов. Одним из базовых направлений СВС является СВС-металлургия. СВС-металлургия использует для синтеза тугоплавких неорганических соединений, композиционных материалов и сплавов высоко экзотермические смеси оксидов металлов, активный восстановитель (Al, Mg и др.) и неметаллы (углерод, бор, кремний или их оксиды). Температура горения таких смесей превышает 3000-3500 К, что дает возможность получать тугоплавкую керамику, композиционные материалы и сплавы в литом виде, а также формировать литые изделия и наносить защитные покрытия. СВС-металлургия – многостадийный процесс, включающий следующие базовые стадии: 1 – автоволновой синтез (горение и формирование высокотемпературного расплава продуктов горения, включающих «металлическую» и оксидную фазы); 2 – гравитационная сепарация «металлической» и оксидной фаз, приводящая к формированию металлического и оксидного слоев; 3 – охлаждение продуктов горения, приводящее к их кристаллизации, формированию конечного состава и структуры металлического и оксидного продуктов. Конечные продукты СВС-металлургии формируются в виде двух слоев. Оксидный или оксинитридный продукт с меньшим удельным весом образует верхний слой, а «металлический» продукт с большим удельным весом образует нижний слой. В условиях хорошей гравитационной сепарации слои практически не имеют сцепления и легко разделяются. Целевым продуктом может быть как «металлический», так и оксидный слой. В ряде случае можно создать исходную смесь, когда оба конечных продукта (оксидный и «металлический») представляют интерес для практического использования. В совместных исследованиях ИСМАН с партнерами был разработан ряд опытных технологий для изготовления литых композиционных материалов (ЛКМ) и решения практических задач [1-3]: – получение ЛКМ и гранул из них для использования в авиационной, ракетной и космической технике, а также в морском двигателестроении, железнодорожном транспорте, производстве электроэнергии, магистральном транспорте нефти и газа, и др.; – получение литых твердых сплавов и литых электродов, гранул и порошков из твердых сплавов для производства наплавочных материалов, плазменных шнуров, стрежневых и порошковых электродов; – СВС-наплавка защитных покрытий на деталях машин и механизмов. Одним из наиболее продвинутых направлений интегральных технологий является создание новых каталитических материалов. Большинство используемых в настоящее время гетерогенных катализаторов представляют собой сложные системы, состоящие из активной фазы, закрепленной на носителе. Наиболее распространены металлические (для благородных металлов) и оксидные (для остальных переходных металлов и редкоземельных элементов) активные фазы. В практике для катализа используют благородные металлы – платину, родий и палладий. Благородные металлы имеют высокую каталитическую активность, но очень дороги, поэтому их замена на полиметаллические и керамические материалы при сопоставимой каталитической эффективности является перспективной задачей. Как правило, получаемые в ходе процессов горения материалы либо уже обладают каталитической активностью, либо требуют минимальной химической обработки для их активации. Этот подход позволяет получать как монолитные, так и нанесенные на неорганические носители полиметаллические катализаторы с высокой активностью в окислительных и в восстановительных процессах. Ранее были изучены возможности центробежной СВС-металлургии для получения литых полиметаллических сплавов на базе металлов группы железа с добавками других переходных металлов и редкоземельных элементов, с различным соотношением металлов и высоким содержанием Al. Последующая дезинтеграция сплавов и выщелачивание Al позволили получить полиметаллические гранулы с высокой каталитической активностью. Проведенные исследования показали их перспективность в процессах нейтрализации продуктов горения углеводородных топлив, очистке нефтепродуктов от серы, получении искусственных углеводородных топлив. Актуальной задачей является развитие метода СВС-металлургии для получения новых материалов, изделий и покрытий с уникальными свойствами. Настоящий отчет представляет обзор основных научных результатов исследований, полученных в течении 2021 года, в ходе выполнения темы: «Разработка научных основ высокоэффективных технологий получения консолидированных материалов методами горения под силовым воздействием». Полученные результаты являются новыми, отвечающими современному уровню исследований в области создания жаропрочных и каталитических материалов, твердых сплавов и защитных покрытий для техники нового поколения, использованию в аддитивных технологиях, а также имеют существенное значение для дальнейшего развития теории и практики СВС-процессов и материалообразующих процессов горения. Большой потенциал для реализации в промышленности имеют композиционные жаропрочные материалы на основе MoSiВ и CoNbCrAlC. В настоящее время материалы на основе MoSiВ разрабатывают для горячего сечения газовых турбин авиационных двигателей и наземных установок. Эти материалы могут увеличить рабочую температуру более чем на 150°C по сравнению с никелевыми суперсплавами. Сплавы на основе CoNbCrAlC имеют перспективу использования для упрочнения деталей авиационных двигателей и высокотемпературной штамповки титановых сплавов. МАХ-фазы Ti2AlC, V2AlC, Cr2AlC и Nb2AlC, V2AlC имеет самый большой коэффициент остаточного сопротивления, равный 6,5. Удельное электросопротивление тройного соединения V2AlC составляет 0.8 μΩm при комнатной температуре. Синтез новых полиметаллических катализаторов процессов глубокого окисления и гидрирования СО2 имеет важное значение как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Глубокое каталитическое окисление монооксида углерода и углеводородов находит широкое применение как составная часть экологически важного процесса очистки выхлопных газов автотранспорта и промышленных производств. Каталитическое сжигание углеводородов используется также в беспламенных генераторах тепловой энергии, высокотемпературных топливных элементах и др. Актуальным направлением является очистка водорода от примесей СО путем избирательного окисления последнего. Диоксид углерода является перспективным возобновляемым углеродсодержащим сырьем для синтеза топлив и полупродуктов органического синтеза.