Разработка и исследование пористых интерметаллидных сплавов с повышенной окислительной стойкостью для применения в устройствах преобразования энергии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-10445

НазваниеРазработка и исследование пористых интерметаллидных сплавов с повышенной окислительной стойкостью для применения в устройствах преобразования энергии

Руководитель Мазной Анатолий Сергеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова Высокотемпературное окисление, пористые интерметаллидные материалы, радиационные горелки, синтез горением, магнетронное распыление, тонкие плёнки, численное моделирование

Код ГРНТИ31.15.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Радиационные газовые горелки, известные также как пористые или инфракрасные горелки, успешно используются для отопления промышленных помещений, сушки и бесконтактного нагрева поверхностей в различных областях строительства и промышленности. Основным элементом радиационной горелки является пористый проницаемый материал, «излучатель», обычно в форме плоской пластины. Предварительно перемешанная смесь газообразного топлива с воздухом фильтруется через пористую стенку излучателя и сгорает вблизи его внешней поверхности. Конвективная передача тепла от продуктов сгорания к пористому излучателю приводит к его нагреву, вследствие чего происходит генерация потока инфракрасного излучения в соответствии с законом Стефана-Больцмана. Разработка новых радиационных горелок мотивирована необходимостью повышения радиационного КПД, т.е. отношения мощности генерируемого ИК потока к общей мощности горелки. Конструкция излучателя определяет то, какой режим горения газовой смеси можно организовать в горелке. Именно положение зоны стабилизации пламени относительно излучающей поверхности горелки существенно определяет интенсивность теплообмена материала с продуктами сгорания и, соответственно, величину радиационного КПД. В недавних работах заявителей проекта показано, что перспективно использовать излучатели в форме полых цилиндров (см. Графический материал, Рис. 1). Данная геометрия позволяет организовать внутренний режим горения, когда пламя стабилизируется в расходящемся потоке во внутренней полости излучателя [1]. Аналогия – надетый на конус пламени пористый чехол. Раскалённые продукты сгорания фильтруются через пористую стенку и подбирая структуру каналов можно организовать максимально эффективный теплообмен с достижением равенства температур стенки излучателя и уходящих из неё продуктов сгорания. Экспериментально показано, что данный тип горелок характеризуется рекордно высокими значениями радиационного КПД в диапазоне удельных мощностей 160–420 кВт/м2 [2–4] (см. Рис. 2). Задача создания надёжных цилиндрических горелок неразрывно связана с проблемой подбора подходящих материалов. Керамика широко используется в традиционных плоских горелках, которые работают в режиме стабилизации пламени вблизи внешней поверхности излучателя. Керамические излучатели характеризуются высокой окислительной стойкостью, но это хрупкие материалы не пригодные для создания цилиндрических горелок – при интенсивном нагреве в процессе розжига происходит их разрушение. Другой вариант – это использование стойких к окислению сплавов. В частности, интерметаллидных сплавов на основе Ni-Al. Однако даже самые лучшие сплавы, в особенности пористые, подвержены окислению. Окислительная стойкость определяется как скоростью роста защитной оксидной пленки на поверхности сплава, так и её качеством. Ni-Al интерметаллиды по сравнению с нержавеющими сталями обладают повышенной окислительной стойкостью, однако согласно литературным данным потенциал улучшения высокотемпературных свойств очень высок и скорость окисления можно снизить на порядок. Основная задача, которую планируется решить в рамках данного проекта – разработать комплекс мер по повышению окислительной стойкости Ni-Al сплавов. Для этого необходимо осуществить макролегирование и микролегирование Ni-Al сплава с последующим предварительным окислением. Макролегирование – это введение в состав Ni-Al сплава дополнительных элементов в высокой концентрации, а именно 5–10 вес.% хрома. Микролегирование – введение низких концентраций редкоземельных металлов (РЗМ), 0,1–0,05 вес.%, таких как диспрозий, иттрий и др. И макро- и микролегирование позволяет ускорить процесс формирования оксидной пленки альфа модификации Al2O3, снизить диффузию алюминия к поверхности материала, уменьшить влияние эффектов отслаивания, растрескивания, образования пор в объёме оксидной плёнки. В рамках Президентской программы исследовательских проектов выполнен инициативный проект РНФ №17-79-10283 «Разработка нового класса инфракрасных горелок для малой распределенной энергетики на основе микроканальных материалов». Основной результат – изучены основные аспекты получения пористых Ni-Al сплавов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [5] (см. Рис. 3). По сравнению с традиционными методами спекания можно выделить следующие преимущества данной технологии. Во-первых – энергоэффективность. В процессах СВС пористый сплав формируется при горении порошковых смесей никеля и алюминия – при образовании интерметаллидов выделяется достаточное для синтеза и спекания сплава количество энергии. Во-вторых – возможность создавать крупнопористые структуры с размером элементов скелета более 1 мм при использовании простого оборудования и доступных на рынке порошков металлов размером менее 10 мкм. В-третьих – технологически достаточно просто провести модификацию структуры или химического состава материала, если такая потребность возникнет в ходе испытаний или ОКР. На данном этапе задача макролегирования хромом уже решена. Задача микролегирования актуальна и требует решения. Основная сложность состоит в том, как равномерно ввести в реакционную порошковую смесь предельно низкую концентрацию РЗМ, порядка 0,1 вес. %. Для этой цели предлагается разработать принципиально новый подход – нанесение на поверхность исходной порошковой смеси (либо отдельных её компонентов) тонких плёнок посредством магнетронного распыления мишеней, содержащих данные РЗМ (см. Рис. 4). Несмотря на то, что нанесение покрытий на плоские подложки является хорошо изученной задачей, равномерное покрытие порошковых материалов с помощью магнетронного распыления все ещё малоизучено. Результаты в данной части проекта актуальны не только для решения частной задачи создания радиационных горелок, легированные порошки также смогут применяться для создания ответственных изделий любыми порошковыми технологиями: высокотемпературное спекание, реакционное спекание, горячее изостатическое прессование. В настоящем проекте с использованием легированных порошков методом СВС будут изготавливаться крупнопористые интерметаллидные Ni-Al-Cr сплавы, высокотемпературная окислительная стойкость которых будет детально изучаться. Для исследований будет применяться высокотемпературная печь с герметичной камерой, в которой можно организовывать газовые среды необходимого состава (см. Рис. 5). Это обстоятельство важно, так как параметры газовой среды оказывают принципиальное влияние на то, какая оксидная плёнка формируется на поверхности сплава. В проекте будут подобраны составы сплавов и параметры их высокотемпературной обработки, что позволит повысить окислительную стойкость материалов при их работе в качестве излучателей радиационных горелок. Важнейшим аспектом планируемой работы является применение методов численного моделирования для исследования процессов образования оксидных пленок в условиях локально-неравномерных условий горения. Макроскопически динамика окисления пористых материалов может быть описана параболическим законом окисления, выражающим изменение массы объекты во времени на единицу площади. На микромасштабе процесс окисления представляется достаточно сложным комплексным механизмом, состоящим из эффектов роста оксидной пленки, ее отслоении, возникновении дефектов, деформации, диффузии химических компонентов и т.д. Однако наибольший практический и научный интерес представляет масштаб структурных элементов пористого излучателя (поровый масштаб), когда структура пламени, температура продуктов сгорания и их состав влияет на динамику окисления в различных участках поверхности излучателя (см. Рис. 6). Длительное окисление материала, в свою очередь, может существенно влиять как на процесс стабилизации зоны горения газовоздушных смесей, так и на характеристики горелки – радиационный КПД, эмиссию оксидов азота или монооксида углерода (см. Рис. 7). Совместное развитие тематики с привлечением как экспериментов, так и моделирования позволит выявить все важнейшие факторы, влияющие на стабильную и эффективную работу современных радиационных горелок. Предлагаемые в проекте задачи формулируются впервые, ранее не изучались. 1. Fursenko R., Maznoy A., Odintsov E., Kirdyashkin A., Minaev S., Sudarshan K. Temperature and radiative characteristics of cylindrical porous Ni–Al burners // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2016. – Vol. 98. – P. 277–284. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.048. 2. Maznoy A., Kirdyashkin A., Minaev S., Markov A., Pichugin N., Yakovlev E. A study on the effects of porous structure on the environmental and radiative characteristics of cylindrical Ni-Al burners // Energy. – 2018. – Vol. 160. – P. 399–409. – DOI: 10.1016/j.energy.2018.07.017. 3. Maznoy A., Pichugin N., Yakovlev I., Fursenko R., Petrov D., Shy S.S. Fuel Interchangeability for Lean Premixed Combustion in Cylindrical Radiant Burner Operated in the Internal Combustion Mode // Applied Thermal Engineering. – 2021. – Vol. 186. – P. 115997. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115997. 4. Maznoy A., Kirdyashkin A., Pichugin N., Zambalov S., Petrov D. Development of a new infrared heater based on an annular cylindrical radiant burner for direct heating applications // Energy. – 2020. – Vol. 204. – P. 117965. – DOI: 10.1016/j.energy.2020.117965. 5. Maznoy A., Kirdyashkin A., Kitler V., Pichugin N., Salamatov V., Tcoi K. Self-propagating high-temperature synthesis of macroporous B2+L12 Ni-Al intermetallics used in cylindrical radiant burners // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 792. – P. 561–573. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.04.023.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мазной А.С., Пичугин Н.С., Кирдяшкин А.И., Яковлев Е.В., Яковлев И.А., Замбалов С.Д., Гущин А.Н. Predicting oxidation‐limited lifetime of Ni‐Al‐Cr porous radiant burners made by combustion synthesis Journal of Alloys and Compounds, том 934, статья 167885 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2022.167885

2. Яковлев Е.В., Пестерев Е.А., Петров В.И., Мазной А.С. Preparation of Al-Dy core-shell particles by electron beam treatment of Al powder with consequent magnetron deposition of Dy film Materials Letters, том 324б статья 132729 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2022.132729

3. Яковлев И.А., Астахов Д.С., Замбалов С.Д., Пичугин Н.С., Мазной А.С. Oxidation-Affected Erosion of Porous Ni-Al Intermetallic Alloy in Combustion Applications: Pore-Scale Simulation Metals, Metals 2023, 13, 277 (год публикации - 2023)
10.3390/met13020277

4. Яковлев И.А., Астахов Д.С., Замбалов С.Д., Фурсенко Р.В., Ли Джун, Мазной А.С. Transition to unstable oscillatory ﬂames in porous media combustion Combustion and Flame, Combustion and Flame 252 (2023) 112752 (год публикации - 2023)
10.1016/j.combustﬂame.2023.112752

5. Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Габбасов Р.М., Мазной А.С. The role of self-ﬂuidization in combustion synthesis of porous and granular Ni-Al intermetallics Combustion and Flame, Combustion and Flame 253 (2023) 112783 (год публикации - 2023)
10.1016/j.combustﬂame.2023.112783

6. Яковлев Е.В., Петров В.И., Пестерев Е.А., Мазной А.С. Preparation and surface alloying of Al@Dy and Al@Y core-shell particles by magnetron sputtering and pulsed electron beam treatment Materials Today Communications, Volume 36, 106837 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mtcomm.2023.106837

7. Пичугин Н.С., Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Мазной А.С. The effect of separating layer between reacting media and molding template on the porous structure of combustion synthesized Ni-Al intermetallics Materials Letters, vol 314, article number 131854 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2022.131854

Публикации