Построение математической модели физико-химических процессов высокотемпературного окисления титана

• Автор: Шашкеев, Константин Александрович
• Шифр специальности: 02.00.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Классические представления о высокотемпературном окислении металлов.

1.2. Окисление титана на воздухе и в кислороде

1.3.Способы получения изделий из оксидной керамики

1.4. Окисление нуль, одно и двухмерных образцов металлов в процессе ОКТК

1.5. Окисление трехмерных образцов металлов в процессе ОКТК

1.6. Заключение

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1. Экспоненциальная часть первого этапа окисления

2.1.1. Вывод экспоненты
2.1.2. Проверка представленной модели на экспериментальных данных
2.2. Расчет коэффициентов диффузии атомов титана и кислорода через
ОКТК рутил вблизи точки бифуркации
2.2.1. Вывод уравнения для коэффициента диффузии титана через ОКТКрутил
2.2.2. Вывод уравнения для коэффициента диффузии кислорода через ОКТКрутил
2.2.3. Расчет коэффициентов диффузий при различных температурах
2.3. Окисление с поверхности без учета влияния объема
2.3.1. Общая постановка задачи
2.3.2. Первый шаг решения задачи
2.3.3. Второй шаг решения задачи
2.3.4. Третий шаг решения задачи
2.4. ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА


В процессе их окисления были выявлены определенные закономерности высокотемпературного окисления, которые нельзя описать в рамках классических представлений об окислении. Главными из таких закономерностей являются 1 наличие экспоненциального участка окисления, 2 влияние толщины окисляемой металлической преформы на толщину образующегося на экспоненциальном участке керамического слоя. При этом основные экспериментальные исследования были получены на примере окисления титановых преформ. Поэтому было необходимо развить имеющиеся представления об окислении тонких материалов применительно к массивным образцам с учетом особенностей окисления последних. Целью настоящей диссертационной работы является построение математической модели физикохимических процессов высокотемпературного окисления титана на экспоненциальной стадии и сопоставление этой модели с экспериментальными данными с целыо проверки правомерности предложенной модели. На основании теоретического анализа полученных экспериментальных данных предложена модель механизма экспоненциальной стадии высокотемпературного окисления титана в процессах ОКТК, которая основывается на квазистационарной модели диффузии междоузельных атомов титана из тела металлической преформы. Полученные в интервале температур 0С экспериментальные данные проанализированы с использованием модели квазистационарной диффузии. Составлены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать коэффициенты диффузии титана и кислорода через слой рутила, образующегося в процессе ОКТК. На основе результатов проведенных кинетических экспериментов получены температурные зависимости коэффициентов диффузии титана и кислорода в ОКТКрутиле. Установлено, что эти зависимости, в пределах точности экспериментов, описываются уравнением Аррениуса. Рассчитанны значения величин факторов диффузии Ио и энергий активации и. В результате теоретических расчетов, основанных на экспериментальных данных, показано, что диффузионные проводимости атомов титана через ОКТКрутил и твердый раствор кислорода и азота в титане, расположенный на поверхности металлической преформы, Кслой вблизи точки перехода сопоставимы. Результатом этого является накапливание атомов титана на поверхности Кслоя, что может является причиной скачкообразного изменения скорости процесса. Показано, что если исключить влияние объема, то окисление массивных образцов титана только со стороны поверхности в процессах ОКТК описывается параболическим законом. Диффузия атомов титана через Кслой влияет на кинетику протекания процесса на начальном этапе. ОКТКрутила. Однако, поскольку первый участок кинетики ОКТК описывается экспонентой, то следует заключить, что вклад окисления только с поверхности, подчиняющийся параболическому закону, незначителен по сравнению с окислением из объема и, повидимому, вносит свой вклад на отдельных этапах кинетической кривой. В результате построения математической модели были выявлены критерии, позволяющие прогнозировать окисление массивных образцов титана на экспоненциальной стадии. Полученные результаты можно использовать при создании методики получения массивных образцов керамики методом ОКТК. Классические представления о высокотемпературном окислении металлов. В случае окисления титана соотношение молярных объемов металла и оксида равно 1. Чтобы реакция продолжалась, один из ее участников должен какимто образом проникнуть к фронту реакции сквозь пленку окислов. В наиболее общем виде эту проблему можно рассмотреть на основе теории абсолютных скоростей реакции 1,2. Единичный акт процесса переноса вещества сквозь твердое тело при отсутствии внешних сил заключается в том, что частица атом или ион, находящаяся в одном из стабильных состояний конденсированной системы с какойто энергией, переходит в ближайшее аналогичное стабильное состояние, отстоящее от первого на расстоянии X рис. Рис. Схема энергетических состояний дефектов, ответственных за перенос вещества через слой конденсированной фазы, а при самодиффузии б при переносе массы в поле химического и электрического потенциала.