научная статья по теме МИКРОСТРУКТУРА СИСТЕМЫ AL–LA–NI–FE Химия

Текст научной статьи на тему «МИКРОСТРУКТУРА СИСТЕМЫ AL–LA–NI–FE»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2015, том 60, № 1, с. 28-34

СТРУКТУРА НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

УДК 538.911+539.25

МИКРОСТРУКТУРА СИСТЕМЫ Al—La—Ni—Fe

© 2015 г. А. Л. Васильев1'2, А. Г. Иванова2, Н. Д. Бахтеева3, Н. Н. Колобылина1, А.С. Орехов2,

М. Ю. Пресняков1, Е. В. Тодорова3

1 Научный исследовательский центр "Курчатовский Институт", Москва 2 Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: a.vasiliev56@gmail.com 3 Институт металлургии и материаловедения РАН, Москва Поступила в редакцию 14.02.2014 г.

Представлены результаты исследования микроструктуры сплавов на основе Al—La—Ni—Fe, отличающихся уникальной способностью к формированию металлических стекол и наноразмерных композитов в широком диапазоне состава. Методами электронной микроскопии, в том числе просвечивающей растровой электронной микроскопии высокого разрешения, энергодисперсионного рентгеновского микроанализа, электронной и рентгеновской дифракции исследованы сплавы Al85Ni7Fe4La4 и Al85Ni9Fe2La4. Обнаружено, что кроме частиц ГЦК-Al и Al4La (AlnLa3) в сплавах присутствуют тройная фаза Al3Nii _xFex (пр. гр. Pnma), изоструктурная фазе Al3Ni, и четверная фаза Al8Fe2_xNixLa, изоструктурная фазе Al8Fe2Eu (пр. гр. Pbam). Параметры элементарных ячеек для соединений Al3Nii _xFex и Al8Fe2_xNixLa определены методом электронной дифракции и уточнены методом рентгеновской дифракции и составили: для Al3Nii _ xFex — a = 0.664(1), b = 0.734(1), с = = 0.490(1); для Al8Fe2 _ xNixLa - a = 1.258(3), b = 1.448(3), c = 0.405(8) нм. В обоих случаях расположение атомов Ni и Fe — статистическое, упорядочения не обнаружено. В частицах Al8Fe2 _ xNixLa обнаружены включения в виде S-слоев соединения Al3Fe.

DOI: 10.7868/S0023476114060290

ВВЕДЕНИЕ

В 1988 г. был открыт новый класс алюминиевых сплавов А1—РМ—ПМ, где РМ — редкоземельный металл, а ПМ — переходной металл [1—4], отличающихся от традиционных необыкновенной способностью к формированию металлических стекол и наноразмерных композитов в широком диапазоне состава. При низких значениях плотности такие сплавы обладают уникальными механическими свойствами и, как это присуще алюминиевым сплавам, коррозионной стойкостью. Формирование нанокомпозитов или аморфных сплавов возможно при использовании различных технологий, одна из которых — интенсивные пластические деформации (ИПД) — подробно представлена в [5]. Первые результаты применения такой технологии для получения нанокомпозитов из поликристаллического сплава А1—N1—Бе—Ьа описаны в [6]. Выбор легирующих компонентов — N1, Бе и Ьа — связан с тем, что именно сплавы А1—N1—Ьа характеризуются уникально широкой областью стеклообразования среди множества сплавов А1—РМ—ПМ [7], причем добавки Бе не только дополнительно увеличивают эту область, но и улучшают их механические характеристики [8]. Микроструктура конечного нанокомпозита зависит от условий ИПД, микроструктуры и фазового состава исходного материала и особенно от ин-терметаллидов — включений с высокой твердо-

стью и особой морфологией, которая может способствовать созданию армирующей сетки [9]. Однако микроструктура и фазовый состав сплавов Al—Ni—Fe—La исследованы мало, даже тройные фазовые диаграммы Al—Fe—La, Al—Ni—La и Al— Ni—Fe, опубликованные в [10—12], и отдельные работы по изучению тройных соединений, а именно Al10Fe2La [13], не дают полного представления о возможных кристаллических фазах в системе Al—Ni—Fe—La в области, обогащенной Al. Изоструктурных сплавов с одинаковым или близким составом Al—Fe—La и Al—Ni—La в областях тройных диаграмм, обогащенных Al, во всех цитируемых работах нет, а данные рентгенодифрак-ционных исследований нанокристаллических сплавов Al—Ni—Fe—La в области, обогащенной Al, выполненных в [8, 14, 15], противоречивы. Фазовый анализ методами электронной микроскопии (ЭМ) и электронной дифракции (ЭД) также не был проведен. В [6] методом оптической микроскопии, растровой и просвечивающей ЭМ (РЭМ и ПЭМ соответственно) с использованием энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (ЭДРМА) и рентгеновской дифрактомет-рии показано, что в сплавах Al85Ni11 _ xFexLa4 (где х = 2 или 4 ат. %) присутствуют четыре фазы: 1 — ГЦК-Al, 2 и 3 — ромбические соединения Al3Ni (с частичным замещением атомов Ni атомами Fe, т.е. Al3Ni1 _ xFex) и Al4La (Al11La3), 4 — фаза, содер-

МИКРОСТРУКТУРА СИСТЕМЫ Al—La—Ni—Fe

29

жащая Fe. Однако структура и состав последней, характер, количественные данные замещения атомов Ni атомами Fe в фазе Al3Nij _ xFex, уточнения параметров элементарной ячейки, а также относительное содержание фаз в сплавах определены не были. Именно эти фазы могут определять механические свойства нанокомпозитов в системах Al—Ni—Fe—La.

В настоящей работе представлены результаты исследования методами РЭМ, просвечивающей ЭД (ПЭД), высокоразрешающей ПЭМ, просвечивающей растровой ЭМ (ПРЭМ), ЭДРМА и рентгеновской дифракции (РД) микроструктуры трех- и четырех-компонентных фаз в сплавах Al85Nin _ xFexLa4 (где х = 2 или 4 ат. %). Проведены оценки объемного состава фаз в этих сплавах.

ЭКСПЕРИМЕНТ: ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ

Поликристаллические сплавы Al85Ni7Fe4La4 и Al85Ni9Fe2La4 получены в виде слитков из расплава с соответствующим составом в условиях охлаждения на воздухе. Поверхность образцов была сошлифована механически и исследована в растровом электронно-ионном микроскопе (РЕИМ) Helios (FEI, США) при ускоряющем напряжении 2 кВ. ЭДРМА проводился в этом же приборе с помощью соответствующей приставки фирмы EDAX (США) при ускоряющем напряжении 15 кВ. Образцы для ЭМ- и ЭД-исследований были приготовлены двумя методами: стандартным методом электрополировки в установке Tenupol 5 (Struers, США) с последующей очисткой ионами Ar+ малой энергии в установке PIPS (Gatan, США); с помощью фокусированного ионного пучка (ФИП) в РЭИМ Helios. ЭМ-исследования проводились в просвечивающем/растровом электронном микроскопе (ПЭМ/ПРЭМ) Titan 80-300 TEM/STEM (FEI, USA), оборудованном корректором сферической аберрации (корректором пробы), c ускоряющим напряжением 300 кВ. Такая конфигурация позволяет получать изображения в режиме ПРЭМ с разрешением 0.08 нм. Прибор снабжен энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором (ЭДРМА) (EDAX, США), кольцевым темнопольным детектором электронов, рассеянных на большие углы (Fis-chione, США), детекторами светлого и темного поля для работы в режиме растровой микроскопии, спектрометром характеристических потерь энергии электронов (Gatan,США). Обработка изображений проводилась с помощью программы Digital Micrograph (Gatan, США). Для РД-ис-следований использовались пластины образца размером около 4 х 10 мм2, шлифованные с одной стороны.

Рентгенограммы образцов сняты на дифракто-метре XPertPro (PANnalytical) (СиК"а-излучение,

40 кВ, 35 мА, Ni-фильтр) в геометрии Брегга— Брентано (на отражение) в непрерывном трехкратном режиме сканирования в интервале углов 29 8°—80°. Шаг сканирования 0.016 град/с, время — 250 с. Для идентификации фаз использовалась база порошковых дифрактограмм PDF-2. Фазовый состав определялся путем полнопрофильного уточнения МНК в программе Powder-Cell 2.4 [16]. При этом уточнялись объемные соотношения фаз, параметры элементарных ячеек, шкальный фактор, компоненты уширения дифракционных линий, связанные с размером области когерентного рассеяния.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ, РЭМ, ПЭМ И ПРЭМ

Типичное изображение поверхности шлифа образца Al85Ni7Fe4La4, полученное в оптическом микроскопе, представлено на рис. 1. Разный цвет, контраст и морфологические особенности частиц позволяют различить четыре фазы, представленные на рисунке. Размеры частиц интерметалли-дов достигают сотен микрометров, и, судя по оптическим изображениям, большинство из них — по-ликристалличны. Как показали исследования [6], в разных образцах количество фаз одинаково, разница только в размерах интерметаллидов и их концентрации. Изображение образца Al85Ni7Fe4La4, полученное в РЭМ, представлено на рис. 2а, результаты ЭДРМА от частиц А1, Al—Ni—Fe, Al—La и Al—Fe—Ni—La — в таблице. ЭДРМА был проведен при относительно высоком ускоряющем напряжении (15 кВ), поэтому нельзя исключить влияния многократного рассеяния и появления дополнительного сигнала от матрицы Al, который приводит к нарушению соотношения между измеренным содержанием элементов в пользу Al.

Рис. 1. Микроструктура сплава Al85Ni7Fe4La4 (оптическая металлография); 1 — Al, 2 — A^N^ _xFex, 3 — Al4La (AliiLa3), 4 — A^Fe2 _ xNixLa.

Результаты исследования состава частиц образцов сплавов методом ЭДРМА, усредненные по двум сплавам

Частицы Al Ni Fe La

Al 95 ± 2 1 ± 0.5 <1 5 ± 1

Al-Ni-Fe 78 ± 2 16 ± 2 6 ± 2 1 ± 0.5

Al-La 72 ± 2 3 ± 2 2 ± 2 22 ± 2

Al-Ni-Fe-La 72 ± 2 8 ± 1 10 ± 1 9 ± 1

Примечание. Данные представлены в ат. %.

Наиболее светлый контраст и огранку имеют частицы Al—La. Частицы наибольшего размера состоят из центральной части, содержащей Al, Lа, Fe и Ni (с менее ярким, чем Al—La контрастом), периферической части с составом Al, Ni и Fe и характеризуются еще более темным контрастом. Увеличенное изображение участка образца с частицами, содержащими Al и La, которые характеризуются вытянутой пластинчатой морфологией, представлено на рис. 2б. Возможно, все частицы алюминидов La имеют пластинчатую морфологию, и на срезе наблюдаются различные сечения этих частиц.

Светлопольное ПЭМ-изображение среза, приготовленного с помощью ФИП, представлено на рис. 3. Исследования методами ЭДРМА совместно с ЭД однозначно указали на присутствие четырех типов частиц: ГЦК-Al, частиц со структурой, принадлежащей ромбической сингонии — Al4La или AlnLa3 [17, 18] (параметры элементарной ячейки и кристаллические структуры обоих соединений близки и не различимы методом ЭД), частиц со структурой, принадлежащей ромбической сингонии Al3Ni1 _xFex, изоструктурной Al3Ni [19], и частиц с составом, близким к Al8Fe2 _ xNixLa. Частицы Al3Ni1 _xFex имеют различную морфологию: чаще всего линейчатую с аспектным соотно-

Рис. 2. Изображение поверхности образца сплава А18з№7Ре4Ьа4, полученное в РЭМ в режиме регистрации вторичных электронов; 1 - А1, 2 - А13№1 _хРех, 3 - АЦЬа (А1цЬ

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»