Сравнение результатов вычислительных экспериментов по моделированию процессов ударного синтеза TiC с экспериментальными данными

Достоверность результатов компьютерного моделирования механохимических процессов в ударно нагруженных химически реагирующих порошковых смесях можно оценить, сравнив прогнозируемые условия ударного запуска химических превращений и степень химических превращений вещества в порошковой системе Ti-C с экспериментальными данными. В работах Ю.А. Гордополова приведены результаты экспериментальных исследований поведения ударно нагруженной порошковой смеси Ti-C при различных амплитудах ударного воздействия. В экспериментах использовалась смесь порошков титана и графита в стехиометрическом соотношении (50/50) дисперсностью порядка 20 и 5 мкм соответственно. Средняя исходная пористость лабораторных образцов составляла 30%. Конструкция экспериментальной установки обеспечивала возможность представить фронт ударного импульса плоским и пренебречь воздействием отраженной волны и волны разгрузки.
Результаты показали, что в области давлений 5,6 ГПа химические реакции в рассматриваемой порошковой смеси не инициируются. С ростом амплитуды ударного импульса при давлениях, существенно превышающих 5,6 ГПа, наблюдается протекание ударно-волнового режима синтеза. При этом послойный характер химических превращений вещества обеспечивается в процессе инициирования соседних слоев и распространения зоны реакции по веществу за счет ударного сжатия и высокоскоростного деформирования вещества. Ударно-волновой режим синтеза карбида титана при значениях амплитуды давления ударного импульса, превышающих 5,6 ГПа, определяется Ю.А. Гордополовым сравнением экспериментально полученной кривой ударного сжатия порошковой смеси Ti-C с расчетной ударной адиабатой, построенной в предположении отсутствия химического превращения. В таблице 5 приведены результаты, представленные в работе и характеризующие зависимость степени химического превращения реагирующего вещества в порошковой смеси Ti-C от амплитуды давления ударного воздействия.

Для сравнения с экспериментальными данными проведен вычислительный эксперимент по моделированию ударного уплотнения порошковой смеси Ti-C. Все параметры рассматриваемой модельной структуры согласованы с условиями эксперимента, параметр макроскопической структуры концентрационной неоднородности принимался как b/а = 1,45. Выбор значения параметра b/а = 1,45 обоснован сопоставлением прогноза выхода продуктов реакции с данными лабораторных экспериментов. Изучался порошковый слой, состоящий из последовательности двух реакционных ячеек. Распределения исходных концентраций компонентов и удельного объема пор модельной порошковой смеси Ti-C приведены на рисунке 11.
На рисунке 12 приведены результаты прогноза распределений по толщине слоя реагирующих компонентов концентраций продукта реакции и пористости для амплитуд давления ударного импульса 14,5 и 24 ГПа соответственно. Для давления ударного импульса 5,6 ГПа ударный запуск химических превращений в модельной порошковой смеси не реализуется.

Из анализа зависимостей массовой доли прореагировавших компонентов смеси от времени синтеза, приведенных на рисунке 13, можно сделать вывод, что для амплитуды ударного импульса Pf = 14,5 ГПа массовое содержание продукта ударно-запущенных химических превращений составит >70 %, а для Pf = 24 ГПа прогнозируется практически полное химическое превращение реагирующих компонентов (~ 90 %). При этом, как следует из результатов, приведенных на рисунке 12, в случае нагружения смеси импульсом амплитудой Pf = 24,0 ГПа, ударный синтез за время действия импульса механической нагрузки инициируется во всем объеме реагирующего материала.

Полученные результаты компьютерного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведенными в таблице 5. Последнее позволяет сделать заключение о достоверности разработанного подхода компьютерного моделирования процессов динамического уплотнения химически реагирующих порошковых компактов.