КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2007, том 52, № 6, с. 989-1001
КВАЗИКРИСТАЛЛЫ
УДК 621.763:004
МЕХАНОАКТИВАЦИОННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Cu-Fe И МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ
© 2007 г. С. Д. Калошкин, В. В. Чердынцев, В. Д. Данилов*
Московский государственный институт стали и сплавов E-mail: vvch@misis.ru *Институт машиноведения РАН, Москва Поступила в редакцию 29.03.2007 г.
Разработан механохимический способ получения порошковых квазикристаллических сплавов систем Al-Cu-Fe и материалов на их основе. Квазикристаллы предлагаются для практического применения в качестве наполняющих материалов для металлических и полимерных матриц. Изложены данные о структуре и механических свойствах разработанных материалов. Обсуждаются возможные области их применения.
PACS: 61.44.Br
ВВЕДЕНИЕ
Квазикристаллы и их свойства. Квазикристаллические фазы, характеризующиеся кристаллической решеткой с осями симметрии "запрещенных" классической кристаллографией порядков, широко изучались на протяжении последних 15 лет [1-8]. Особенности электронной структуры квазикристаллов предопределяют ряд необычных и привлекательных для применения свойств, в частности механических. Квазикристаллы, как правило, обладают высокой твердостью: 8-10 ГПа в зависимости от системы, а в тонких пленках до 14 ГПа при комнатной температуре [9]. Для сравнения: твердость закаленных легированных сталей не превышает 8 ГПа. В квазикристаллах на основе алюминия величина модуля Юнга в зависимости от системы лежит в интервале 100-200 ГПа. Величина твердости для Л1-Си-Бе икосаэдрического квазикристалла составляет почти 10% от величины модуля Юнга, что близко к этому показателю для алмаза и некоторых керамик. С ростом температуры твердость заметно снижается [10].
Для квазикристаллов отмечаются высокие антифрикционные свойства, поскольку они одновременно очень твердые и имеют сверхнизкий коэффициент трения. Такой коэффициент трения обусловлен тем, что квазикристаллы имеют очень низкую поверхностную энергию (28 мДж/м2) [11]. Для сравнения: самый скользкий фторопласт имеет поверхностную энергию 18, монокристалл Л1203 - 47, вода - 72 мДж/м2, чистые металлы - на 1-2 порядка выше. Это указывает на то, что межатомные связи в значительной мере насыщены даже в поверхностном слое квазикристалла.
Ожидается, что поверхность будет химически инертна, и квазикристаллы будут обладать коррозионной стойкостью, повышенной относительно других материалов на основе тех же элементов.
Получение квазикристаллов методом механического сплавления. Существует ряд факторов, сдерживающих широкое применение квазикристаллических материалов. В частности, эти факторы обусловлены трудностями, связанными с приготовлением квазикристаллических фаз. В большинстве металлических систем, где квазикристаллы являются термодинамически стабильными, соответствующая область концентраций элементов весьма мала: не более 3 ат. % на элемент в наиболее широкой высокотемпературной части области их существования. Возможно, что для метастабильных квазикристаллов это условие не такое строгое, однако достаточно жесткое требование к точному химическому составу определяет и требования к технологии производства и к возможной рабочей среде. Для ряда систем, например Л1-Си-Ре, получение квазикристаллической фазы охлаждением расплава затруднено из-за высокотемпературного перитектического превращения. Кроме того, следует указать на значительное различие в плотности основных элементов (Mg, Л1, Т1, плотность не выше 4.5 г/см3) и вторых-третьих компонентов - переходных и редкоземельных металлов (плотность от 7.5 г/см3 и выше). Это обстоятельство делает весьма затруднительным применение "классических" металлургических технологий и ведет к использованию специальных технологий даже при получении стабильных квазикристаллов, поскольку
Fe2Al5 FeAl3 + (Al)
Рис. 1. Изотермический разрез фазовой диаграммы
А1-Си-Ре при 600°С [23].
необходимо преодолеть зональную ликвацию. Среди методов получения квазикристаллов следует указать различные варианты сверхбыстрой закалки из жидкого состояния: разливка на быст-ровращающийся массивный диск, литье в валки, распыление расплава потоком инертного газа, а также механическое сплавление.
Использование метода механического сплавления (МС) для получения сплавов в неравновесном состоянии дает ряд преимуществ, особенно важных для получения квазикристаллических материалов. Так, МС приводит к значительному расширению концентрационных интервалов существования фаз [12, 13], что особенно важно для получения фаз с узкой концентрационной областью существования. Кроме того, все реакции при МС протекают в твердой фазе, что позволяет избежать возникающих при использовании технологии переплава проблем, связанных с флукту-ациями концентрации в жидкой фазе.
Известны работы, посвященные приготовлению квазикристаллических фаз методом МС [1422]. В частности, изучали процесс получения методом МС квазикристаллов системы А1-Си-Ре [18-20], в которой икосаэдрическая фаза является термодинамически стабильной. Именно эта система была выбрана нами для отработки методики формирования однофазной квазикристаллической структуры методом МС и для изучения применимости квазикристаллов в качестве материала-наполнителя для различных матриц. Способы получения, область существования, структура и свойства образующейся в этой системе
нкосаэдрнческой квазикристаллической фазы изучены весьма широко [8].
Квазикристаллическая фаза системы Al-Cu-Fe. Изотермический разрез фазовой диаграммы Al-Cu-Fe при 600°С представлен на рис. 1. В системе Al-Cu-Fe существует стабильная квазикристаллическая икосаэдрическая фаза (I), которая существует в достаточно узкой области концентраций, обогащенной алюминием. Эта фаза при 600°С находится в равновесии с двумя тройными фазами: тетрагональной Al7Cu2Fe (т2) (a = 0.66336 нм, c = 1.487 нм), гексагональной Al10Cu10Fe (т3), а также с двумя двойными фазами: моноклинной Al3Fe (a = 1.5489, b = 0.80831, c = 0.2476 нм, в = 107.72°) и кубической a-Fe. Икосаэдрическая фаза I является стабильной и не претерпевает фазовых превращений вплоть до температуры пери-тектического превращения 862°С [24].
Для получения квазикристалла, термодинамически стабильного в интервале температур вплоть до перитектического превращения, необходимо точное соблюдение концентрационного баланса. Отклонение от состава менее чем на 1% при охлаждении приводит к образованию сопутствующих фаз при температуре около 650°С. Икосаэдрическая фаза после быстрой закалки преимущественно образуется в сплавах, находящихся в промежутке составов Al60Cu27Fe13 и Al71Cu16Fe13. С увеличением содержания алюминия в сплаве в основном образуется декагональ-ная фаза [4].
Применение квазикристаллов. Значительная хрупкость и, как следствие, низкая деформируемость считаются основными недостатками квазикристаллов как материалов для практического применения в виде массивного изделия. В основном предлагается использовать квазикристаллы в составе наносимых на изделия покрытий для придания им антифрикционных свойств [23], а также для солнечных батарей ввиду особых отражающих свойств некоторых квазикристаллов [25].
Вместе с тем квазикристаллы представляются весьма перспективными для использования в композиционных материалах в качестве упрочняющей фазы. Так, в [26, 27] квазикристаллы предлагались как упрочняющая фаза для чисто алюминиевой матрицы. Разработана модифицированная квазикристаллами высокопрочная мартенситно-стареющая сталь (предел текучести 3 ГПа), которую предлагается использовать для изготовления хирургических инструментов [28]. В [29, 30] квазикристаллы системы Al-Cu-Fe предлагаются в качестве наполнителей высокомолекулярных полимеров для использования в качестве медицинских имплантантов [31].
Квазикристаллы в композиционных материалах. Разработка композиционных материалов яв-
I, отн. ед.
9, град
Рис. 2. Эволюция дифракционных спектров синхротронного излучения при нагреве для сплава А^С^Рец, подвергнутого МС в планетарной мельнице в течение четырех часов [41].
ляется в настоящее время одним из перспективных и быстро развивающихся направлений. Композиционные материалы находят широкое применение в строительстве, машиностроении, производстве контактных материалов, в сварочных технологиях, а также во многих других отраслях промышленности. Важнейшее достоинство таких материалов - возможность получения заданных свойств, наиболее полно отвечающих характеру и условиям работы. Многообразие упрочняющих и матричных материалов позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.
На данный момент существует довольно большое число способов получения композиционных материалов, но применение метода механического сплавления для решения подобных задач является относительно новым направлением материаловедения. Идея метода заключается в том, чтобы смешать мягкую металлическую матрицу и твердые частицы упрочняющей фазы на микроскопическом уровне структуры до однородного распределения частиц. Существует значительное число работ, посвященных приготовлению различных композиционных материалов методом МС [32-38]. Однако работ, посвященных механо-активационному получению композитов с квазикристаллическими наполнителями, немного.
В [39] предложено использовать квазикристаллы в композиционных сплавах в качестве упрочняющей фазы. Были получены композиционные материалы в системе А1-Си-Сг путем МС квазикристаллических сплавов и порошка А1 (размером 75 мкм) с соответствующим весовым
содержанием 15, 20, 25 или 30% в течение 30 мин. Квазикристаллический сплав предварительно получали плавкой чистых элементов в вакуумной или в аргоновой атмосфере, а затем измельчали до фракции 50 мкм.
В [27] изучали влияние квазикристаллической упрочняющей фазы на свойства композиционных материалов. В этой работе получили композиционные сплавы на основе А1 с упрочняющими частицами 1-А1СиРе путем комбинирования метода МС и горячего прессования. Структура пок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.