Synchrotron radiation in solving optimization problems for properties of aluminum powders as metallic fuels and raw materials for additive technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of studies of reactivity and phase formation features in the process of oxidation of aluminum-based powders by TG (thermogravimetry), DSC (differential scanning calorimetry), and X-ray diffraction of synchrotron radiation directly in the process of programmed heating are considered. When applied together using synchrotron radiation, thermal and phase analyses are shown to help get an idea of fast oxidation mechanism processes and accelerate the selection of modifiers to optimize the properties of dispersed aluminum-based systems and technological parameters of synthesis of materials with controlled properties.

Full Text

Restricted Access

About the authors

D. A. Eselevich

Institute of Solid State Chemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: diablohulk@gmail.com
Russian Federation, Ekaterinburg

V. G. Shevchenko

Institute of Solid State Chemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: diablohulk@gmail.com
Russian Federation, Ekaterinburg

Z. S. Vinokurov

Shared Research Facility “Siberian Ring Source of Photons”, G. K. Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: diablohulk@gmail.com
Russian Federation, Naukograd

B. P. Tolochko

G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: diablohulk@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

References

  1. Ягодников Д.А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 432 с.
  2. Korotkikh A.G., Sorokin I.V., Arkhipov V.A. // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2022. V. 58. № 4. P. 42.
  3. Becksted M.W. A Summary of Aluminum Combustion // RTO/VKI Special Course on “Internal Aerodynamics in Solid Rocket Propulsion”, 2004. RTO-EN-023.
  4. Glotov O.G. // Progress in Aerospace Sciences. 2023. V. 143. P. 1.
  5. Кононенко В.И., Шевченко В.Г. Физикохимия активации дисперсных систем на основе алюминия. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 238 с.
  6. Шевченко В.Г., Кононенко В.И., Латош И.Н. // ФГВ. 1994. Т. 30. № 5. С. 142.
  7. Шевченко В.Г., Кононенко В.И., Буланов М.А. и др. // ФГВ. 1998. Т. 34. № 1. С. 45.
  8. Шевченко В.Г. // ФГВ. 2011. Т. 47. № 2. С. 45.
  9. Шевченко В.Г., Кононенко В.И., Чураев А.В. и др. // Хим. Физика. 2005. Т. 24. № 8. С. 92.
  10. Золотарев К.В., Анчаров А.И., Винокуров З.С. и др. // Изв. РАН 2023. Т. 87. № 5. С. 614.
  11. Scherrer P. // Nachrichten Von Ges. Wiss. Zu Gött. Math.-Phys. K1. 1919. V. 2. P. 98.
  12. Алферов Д.Ф., Башмаков Ю.А., Черенков П.А // Успехи физ. наук. 1989. Т. 157. № 3. С. 389.
  13. Coppens P. Synchrotron Radiation Crystallography. London, San Diego: Academic Press, 1992. 316 p.
  14. Aulchenko V.M., Evdokov O.V., Kutovenko V.D. et. al. // Nuclear Instruments Methods Physics Research A. 2009. V. 603. P. 76.
  15. Ancharov A.I., Manakov A.Yu., Mezentsev N.A. et al. // Nucl. Inst. Meth. A. 2001. V. 470. № 12. P. 80.
  16. Piminov P.A., Baranov G.N., Bogomyagkov A.V. et al. // Physics Procedia. 2016. V. 84. P. 19.
  17. Gates-Rector S., Blanton T. // Powder Diffraction. 2019. V. 34. № 4. P. 1.
  18. Rietveld H. // J. Appl. Crystallogr. 1969. V. 2. P. 65.
  19. Шевченко В.Г., Кузнецов М.В., Бибанава С.А. и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2012. Т. 48. № 6. С. 540.
  20. Лякишев П.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: в 3 т: Т. 1. М.: Машиностроение, 1997. 992 с.
  21. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Анчаров А.И. и др. // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 5. С. 39.
  22. Шевченко В.Г., Кузнецов М.В., Конюкова А.В. и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т. 49. № 6. С. 649.
  23. Шевченко В.Г., Булатов М.А., Кононенко В.И. и др. Влияние свойств поверхностного слоя оксида на окисление порошков алюминия. М.: Порошковая металлургия, 1988. № 2. С. 1.
  24. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Анчаров А.И. и др. // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 28.
  25. Гребенщиков И.В. Диаграммы состояния тугоплавких оксидов: Справочник: Вып. 5. Двойные системы. Ч. 1. Л.: Наука, 1985. 284 с.
  26. Tamman G. Lehrbuch der Metallkunde des Eisens und der Nichteisenmetalle. Springer-Verlag, 1929. 250 p.
  27. Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. Ч. 1. М.: Изд-во Иностр. лит., 1963. 415 с.
  28. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Конюкова А.В. и др. // Хим. Физика. 2014. Т. 33. № 10. С. 10.
  29. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Конюкова А.В. и др. Способ активации порошка алюминия. Патент РФ № 2509790. 20.03.2014.
  30. Shevchenko V.G., Eselevich D.A., Popov N.A. et al. // Intern. J. of Engineering Research & Science. 2018. V. 4. № 4. P. 18.
  31. Коротких А.Г. Влияние дисперсности порошка алюминия на процессы зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем. Дис. … д. ф.-м. н. Томск, 2012. 302 с.
  32. Шевченко В.Г., Красильников В.Н., Еселевич Д.А. и др. // Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51. № 5. С. 70.
  33. Sharipova N.S., Ksandopulo G.I. // Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1997. V. 33. P. 659.
  34. Yen N.H., Wang L.Y. // Propellants Explos. Pyrotech. 2012. V. 37. P. 143.
  35. Ромоданова Л.Д., Похил П.Ф., Каданер Э.С. // Физика горения и взрыва. 1968. Т. 3. С. 330.
  36. Woo K.D., Kim J.H., Kwon E.P. et al. // Met. Mater. Int. 2010. V. 16. P. 213.
  37. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Винокуров З.С. и др. // Там же. 2019. Т. 55. № 3. С 50.
  38. Fargeot D., Mercurio D., Dauger A. // Material Chemistry and Physics. 1990. V. 24. P. 299.
  39. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Попов Н.А. и др. // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 1. С. 65.
  40. Андриевский Р.А., Хачоян А.В. Роль размерных эффектов и поверхностей раздела в физико-химических свойствах консолидированных наноматериалов. М.: Рос. хим. журн. 2009. Т. 52. № 2. С. 4.
  41. Русанов А.И. Коллоидно-химические аспекты нанонауки. Минск: Наноструктурные материалы. Получение, свойства, применение. 2009. С. 71.
  42. Акашев Л.А., Попов Н.А., Кузнецов М.В. и др. // Журн. физ. Химии. 2015. Т. 89. № 5. С. 287.
  43. Мальцев В.М., Брейтер А.Л., Попов Е.Н. и др. О некоторых закономерностях горения дисперсных металлов в конденсированных системах. Львов: Физика конденсированных систем, 1989. № 32. С. 77.
  44. Rietveld A. Extended Program to Perform the Combined Analysis: Diffraction, Fluorescence and Reflectivity data Using X-ray, Neutron, TOF or Electrons // Access mode: http://maud.radiographema.eu.
  45. Open-access collection of crystal structures of organic, inorganic, metal-organic compounds and minerals, excluding biopolymers // Access mode: http://www.crystallography.net.
  46. Dabrowska G., Tabero P., Kurzawa M.J. // Phase Equilibria and Diffusion.2009. V. 30. № 3. P. 220.
  47. Shevchenko V., Eselevich D., Krasilnikov V. et al. // Physics Procedia. 2016. V. 84. P. 330.
  48. Шевченко В.Г., Красильников В.Н., Еселевич Д.А. и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2019. Т. 55. № 1. С. 25.
  49. Красильников В.Н., Еселевич Д.А., Конюкова А.В. и др. Способ получения формиата железа (II). Патент РФ № 2670440. 23.10.2018.
  50. Шевченко В.Г., Красильников В.Н., Еселевич Д.А. и др. // Физика горения и взрыва. 2020. Т. 56. № 2. С. 37.
  51. Yey X., Liny D., Jiaoz Z. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. V. 31. P. 2739.
  52. Wang Y., Song I., Jiang W. et al. // Trans. Nonferrous Met. Soc. China., 2014. V. 24. P. 263.
  53. Duraes L., Costa D.F.O., Santos R. et al. // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 465. P. 199.
  54. Liu Y., Qian Q., Xu C. et al. // Asian J. Chem. 2013. V. 25. P. 5550.
  55. Monogarov K.A., Pivkina A.N., Grishin L.I. et al. // Acta Astronautica. 2017. V. 135. P. 69.
  56. Kruth J.P., Levy G., Klocke F. et al. // Ann CIRP. 2007. V. 56. № 2. P. 730.
  57. Kruth J.P., Mercelis P., Van Vaerenbergh J. et al. // Rapid Prototype J. 2005. V. 11. № 1. P. 26.
  58. Евгенов А.Г., Базылева О.А., Королев В.А. и др. // Авиационные материалы и технологии. 2016. Т. 43. № S1. С. 31.
  59. Dadbakhsh S., Hao L. // J. Alloy Comp. 2012. V. 541. P. 328.
  60. Dadbakhsh S., Hao L. // Adv. Eng. Mater. 2012. V. 14. № 1–2. P. 45.
  61. Ghosh S.K., Bandyopadhyay K., Saha P. // Mater. Charact. 2014. V. 93. P. 68.
  62. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Конюкова А.В. // Физикохимия поверхности и защита материала, 2023. Т. 59. № 4. С. 405.
  63. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Бакланов М.Н. Способ получения порошка на основе алюминия для 3D-печати. Патент РФ № 2754258. 31.08.2021.
  64. Шевченко В.Г., Еселевич Д.А., Попов Н.А. и др. // Физическая химия. 2023. Т. 97. № 10. С. 1528.
  65. Safarik D.J., Klimczuk T., Llobet A. et. al // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 1. P. 014103.
  66. Maas J., Bastin G., Loo F.V. et al. // Intern. J. of Materials Research, 1983. V. 74. № 5. P. 294.
  67. Shevchenko V.G., Eselevich D.A., Popov N.A. et al. // Physics of Metallography. 2024. V. 125. № 5. P. 555.
  68. Филиппов М.А., Бараз В.Р., Гервасьев М.А. Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении: учебное пособие: в 2 т. Т. II. Цветные металлы и сплавы. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. 236 с.
  69. Бродова И.Г., Чикова О.А., Петрова А.Н. и др. // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 11. С. 1204.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffraction pattern of the Al–Ca alloy at 500 (a), 750 (b), 1000°C (c).

Download (329KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of Al–Ba alloy powder at temperatures of 500 (a), 650 (b), 750 (c), 1000°C (d).

Download (505KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Diffraction patterns of the initial Al powder at temperatures of 500 (a), 660 (b), 1000°C (c).

Download (292KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. TG curves of Al–1.3% Ca (a) and Al–1.3% Ba (b) alloys with the designation of the phase formation evolution.

Download (298KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Diffraction patterns of Al modified with V2O5∙nH2O, at temperatures of 500 (a), 650 (b), 900 (c), 1100°C (d).

Download (505KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. A series of diffraction patterns of the Al–V2O5 system at 600–672°C.

Download (332KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. A series of diffraction patterns of the Al–V2O5 system at 672–744 (a) and 744–798 (b) °C.

Download (612KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Diffraction pattern of Al modified by V2O5∙nH2O, at 600°C.

Download (222KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. TG Al: 1 – modified V2O5∙nH2O; 2 – original.

Download (212KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Diffraction patterns of Al modified with NH4VO2 at temperatures: 30 (a), 200 (b), 500 (c), 670 (d), 870 (d), 1100°C (e).

Download (333KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. TG curves of modified Al powder: 1 – V2O5∙nH2O; 2 – NH4VO3+HOCH2CH2OH.

Download (116KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Diffraction patterns of modified Al powders containing 1, 5 and 10 wt.% Fe, obtained by impregnation with Fe(OH)(HCOO)2 gel and heating in air to 350°C using the SI method.

Download (226KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. TG and DTA curves of Fe(OH)(HCOO)2.

Download (128KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Diffraction patterns of modified aluminum powder with an iron content of 10 wt.%.

Download (207KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. Dependences of phase composition on temperature for a sample of Al + 10% Fe when heated in air from room temperature to 1000°C.

Download (207KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. TG and DSC curves of Al powders, initial (a) and modified with Fe(OH)(HCOO)2 gel, Fe2O3 content = 1 (b), 5 (c) and 10 wt. % (d).

Download (539KB)
Indexing metadata
18. Fig. 17. Diffraction pattern of the original Al–2.3% V sample and model diffraction patterns of aluminum Al and intermetallic compounds Al10V and Al3V.

Download (260KB)
Indexing metadata
19. Fig. 18. Diffraction intensity maps as a function of diffraction angle and temperature for an Al–2.3% V sample in a flow of synthetic air: a) when heated at a rate of 10°C/min; b) when cooled at a rate of 30°C/min.

Download (700KB)
Indexing metadata
20. Fig. 19. TG and DSC curves of primary Al and Al–2.3% V alloy at a heating rate of 10 (a), 50°C/min (b).

Download (407KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences