научная статья по теме РАСТВОРИМОСТЬ НЕОДИМА В ЖИДКИХ ГАЛЛИИ, ИНДИИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЯХ НА ИХ ОСНОВЕ Физика

Текст научной статьи на тему «РАСТВОРИМОСТЬ НЕОДИМА В ЖИДКИХ ГАЛЛИИ, ИНДИИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЯХ НА ИХ ОСНОВЕ»

РАСПЛАВЫ

6 • 20141

УДК 544.351.3:546.657+546.68

© 2014 г. С. Ю. Мельчаков1, Л. Ф. Ямщиков, А. Г. Осипенко, М. А. Русаков

РАСТВОРИМОСТЬ НЕОДИМА В ЖИДКИХ ГАЛЛИИ, ИНДИИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЯХ НА ИХ ОСНОВЕ

В широком интервале температур 423—1073 К определена растворимость неодима в индивидуальных металлах ША-группы (Оа, 1п) и сплавах Оа—1п (содержащих 21.4, 40.0 и 70.0 мас. % 1п) методами высокотемпературного отбора проб и высокотемпературной фильтрации.

Ключевые слова: неодим, галлий, индий, эвтектический сплав, растворимость, интерметаллическое соединение, метод высокотемпературного отстаивания, метод высокотемпературной фильтрации.

К настоящему времени нет обобщенных достоверных сведений о термодинамических свойствах и поведении редкоземельных металлов (РЗМ) в расплавленных металлах третьей группы периодической таблицы, а имеющиеся сведения противоречивы или разрозненны [1, 2]. Поэтому целью настоящего исследования стало изучение в широком температурном диапазоне растворимости неодима в жидких индивидуальных галлии, индии и металлических композициях на их основе, а также сравнение полученных данных с результатами других исследователей.

Опубликованных данных о диаграммах состояния сплавов тройных систем Ьп— Оа—1п (Ьп — лантанид) нами не обнаружено. Подробно изучены [3] лишь двойные системы Ьп—Оа и Ьп—1п, в которых в равновесии с легкоплавким компонентом находятся ИМС состава ЬпОа6 или Ьп1п3 соответственно. Соединение ЬпОа6 кристаллизуется в тетрагональной сингонии, пространственная группа P4/nbm. Оно образуется по перитектической реакции при 895 К, а при 729 К претерпевает фазовый переход первого рода а ^ р. Соединение Ьп1п3 кристаллизуется в кубической сингонии и плавится конгруэнтно при 1493 К. Вплоть до указанной температуры оно не испытывает превращений [3].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для определения растворимости неодима в легкоплавких металлах и сплавах на их основе использовали методы высокотемпературного отстаивания расплава (метод отбора проб) и высокотемпературной фильтрации. Для этого были сконструированы и изготовлены 2 типа герметичных экспериментальных ячеек, показанных на рис. 1.

Экспериментальные ячейки были изготовлены из кварца и уплотнялись пробками из вакуумной резины. Тигли и чехлы из оксида бериллия предварительно прокаливали, взвешивали и хранили в эксикаторе с сухой атмосферой. Сборку экспериментальных ячеек проводили в атмосфере высокочистого аргона в боксе МВгаип ИшЬаЪ 1200/780, оборудованном регенерируемой системой очистки газов, рециркуляционной системой охлаждения, встроенным безмасляным компрессором, анализатором кислорода, анализатором влажности, анализатором давления, системой пылевой очистки.

Сплавы Оа—1п, содержащие 21.4 мас. % 1п, являются эвтектическими с температурой плавления 288.45 К. Их готовили из металлических галлия и индия по следующей методике: навески с требуемым соотношением Оа : 1п помещали во фторопластовый

1s.yu.melchakov@gmail.com.

Рис. 1. Экспериментальные ячейки (а и б) для определения растворимости неодима в легкоплавких сплавах. Метод отбора проб (а): 1 — стеклянный шприц в вакуумном исполнении с возвратной пружиной, 2 — резиновый вакуумный шлюз, 3 — никелевые теплоотражающие экраны, 4 — кварцевый капилляр-пробоотборник, 5 — термопара в чехле из ВеО, 6 — тигель из ВеО, 7 — расплав Nd—Ga—In, 8 — геттер (стружка циркония). Метод фильтрации (б): 1 — термопара в кварцевом чехле, 2 — нагреватель, 3 — тигель из ВеО с жидким сплавом, укрепленный на молибденовой проволоке, 4 — стеклянный фильтр ПОР-40, 5 — пробирка из ВеО.

стакан и сплавляли при 423 К в течение двух недель в инертной атмосфере бокса МВгаип ИшЬаЪ 1200/780 с периодическим перемешиванием расплава. Готовый сплав Ga—In представлял собой гомогенную металлическую жидкость серебристого цвета, свободную от оксидной пленки. Приготовленный жидкометаллический расплав переносили во фторопластовый контейнер с завинчивающейся герметичной крышкой, маркировали и оставляли в инертной атмосфере бокса МВгаип ИшЬаЪ 1200/780 для дальнейших приготовлений композиций с неодимом. Эвтектический расплав Ga—In в боксе все время находился в жидком состоянии.

Исследуемые сплавы Nd—Ga—In готовили следующим образом: тигель из оксида бериллия взвешивали на весах БаЛойш ЬА 5200D, после чего в него помещали навески неодима и эвтектического расплава Ga—In и вновь взвешивали. Сплавы эвтектического

состава задавали в тигли с помощью пипетки Ленпипет ТЬегто8с1еп1Шс (1-100-1000). Сплавы заэвтектического состава, содержащие более 21.4 мас. % 1п, получали непосредственно в ходе эксперимента из навесок твердых неодима, галлия и индия. Все операции по взвешиванию, загрузке компонентов сплава в тигли и окончательной сборке ячеек для измерений проводили в инертной атмосфере бокса МВгаип ИшЬаЪ 1200/780. Неодим в сплавы задавали с избытком, исходя из расчетных данных по растворимости неодима в галлии [4] или индии [5, 6].

Методика проведения экспериментов. Метод отбора проб. Собранную ячейку из инертного бокса переносили в печь сопротивления, вакуумировали, промывали 2—3 раза аргоном, разогревали до 1073 К и выдерживали 2 ч. для сплавообразования. После этого выводили печь на рабочую температуру с последующей необходимой выдержкой во времени при постоянной температуре.

Общеизвестно, что выпадение кристаллов из насыщенных растворов при медленном охлаждении и наличии затравки происходит преимущественно на ее поверхности. При помещении в жидкометаллический растворитель Оа—1п твердого неодима на его поверхности происходит образование ИМС, которые постепенно растворяются в расплаве Оа—1п. При насыщении расплава лантанидом на поверхности твердого неодима начинается образование новой фазы — слоя интерметаллических соединений. Количество слоев и их состав зависят от температуры, времени контакта и природы твердого лантанида.

Так авторы [7] изучали образование слоев ИМС при взаимодействии жидкого галлия с твердыми редкоземельными металлами. При температуре ниже перитектиче-ской и времени выдержки легких РЗМ в жидком галлии около 20 ч. на границе раздела фаз "Ьп/Оа" (Ьп = Ьа, Се, Рг, Мё, $т) наблюдается образование хорошо сцепленных с РЗМ слоев ИМС состава ЬпОа6 толщиной 5—8 мм. Интерметаллиды ЬпОа6 кристаллизуются в виде пластинок, похожих на тромбоциты, в поперечнике около 2 и толщиной 0.2—0.5 мм. Сначала на поверхности РЗМ образуется слой стехиометрического состава ЬпОа6, а затем, по мере взаимной диффузии компонентов, под ним нарастает подслой Е-фазы переменного состава (Ьп: _ хОа2 + х).

При отстаивании жидкометаллического расплава достаточно легко отделить жидкую фазу от кристаллов ИМС, образующихся при контакте неодима со сплавами Оа—1п. Кроме того, при осаждении интерметаллидов на затравке (твердом неодиме) не будет происходить или минимизируется диспергирование кристаллов ИМС в объеме расплава. В данной работе растворимость Мё в жидкометаллическом растворителе (Оа—1п) определяли, анализируя химический состав проб, отобранных кварцевым капилляром с оттянутым носиком (внутренний диаметр носика 0.4 мм) из средней части объема расплава.

Капилляр погружали в расплав на глубину 5 мм и с помощью шприца проводили отбор проб. Пружина шприца удерживала поршень в отжатом состоянии, не позволяя жидкому сплаву вытекать из пробоотборника. После отбора пробы капилляр медленно извлекали из ячейки с постепенным охлаждением. Пробоотборник извлекали из шлюза, устанавливали новый, вводили его в шлюз, затем капилляр-пробоотборник вакуумировали, промывали аргоном, открывали шлюз и опускали капилляр в ячейку так, чтобы он фиксировался на расстоянии 3—5 мм над поверхностью жидкого металла. Температуру в печи изменяли, выдерживали расплав не менее 6—8 ч, после чего повторяли всю процедуру отбора для извлечения следующей пробы расплава.

Метод фильтрации. В качестве фильтрующего элемента 4 (см. рис. 1б) использовали воронки ВФ-1-20 ПОР 40ТС по ГОСТ 25336-82е из стекла $1МАХ. Оптимальная пористость фильтра 16-40 мкм для фильтрации жидкометаллических расплавов Оа-1п была определена опытным путем. Предварительно специальным образом отобранные фильтровальные воронки приваривали к трубке из стекла $1МАХ. Внутри трубки размещали рабочий тигель с жидкометаллическим расплавом из оксида бериллия на под-

веске из молибденовой проволоки. На сужающийся конец трубки с фильтром крепили тигель-приемник, в который собирали отфильтрованный расплав.

Ячейку с навеской сплава Nd—Ga—In, собранную в инертной атмосфере бокса MBraun UniLab 1200/780, переносили во вращающуюся в вертикальной плоскости печь, вакуумировали и промывали несколько раз аргоном. Сплав выдерживали в печи при заданной температуре в течение 12 ч, после чего ячейку вместе с печью поворачивали в вертикальной плоскости на 180°, при этом содержимое тигля 3 (см. рис. 1б) выливалось на фильтр, полностью покрывая фильтрующую поверхность. Затем ячейку вакуумировали, за счет разности давлений исследуемый сплав отфильтровывался от ИМС и попадал в пробирку 5 (см. рис. 1б). Растворимость неодима в индивидуальных жидких галлии и индии, а также заэвтектических сплавах галлия с индием таким методом не определяли. Интервал исследуемых температур определялся температурной устойчивостью фильтрующей поверхности, поэтому данный метод позволял отбирать пробы в интервале температур 423—623 K.

Пробы сплавов растворяли в смеси соляной и азотной кислот (3 : 1 по объему) и определяли в них содержание неодима масс-спектрометрическим методом на приборе ELAN 9000 в аккредитованной лаборатории "Аналитический испытательный центр — Российская арбитражная лаборатория испытаний материалов ядерной энергетики", г. Екатеринбург.

При выполнении экспериментов и химическом анализе сплавов были использованы следующие вещества: галлий металлический монокристаллический (>99.9999% Ga) по ТУ 48-4-350-84, индий металлический ИН-000 (>99.9996% In) по ГОСТ 10297-75, неодим металлический НМ-1 (>99.9% Nd) по ТУ 48-4-205-72, аргон газообразный высший сорт по ГОСТ 10157-79, вода дистиллированная, кислота соляная по ГОСТ 3118-77, кислота азотная по

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