ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2015, том 51, № 2, с. 202-207
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ МАТЕРИАЛОВ
УДК 544.3;544.015.65;544.344;544.653.23
СОПОСТАВЛЕНИЕ КОРРОЗИОННЫХ СВОЙСТВ РАВНОВЕСНЫХ И БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Fe-V В ХЛОРИДСОДЕРЖАЩЕМ РАСТВОРЕ © 2015 г. Л. А. Фишгойт, Е. Ф. Казакова, В. А. Сафонов, Н. Е. Дмитриева, С. Ф. Дунаев
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультет, Москва, Россия e-mail: fishgoit@rambler.ru Поступила в редакцию 23.06.2014 г.
В статье рассмотрены результаты исследования коррозионных свойств быстрозакаленных и равновесных сплавов на основе алюминия, легированных железом и ванадием. Показано, что коррозионные свойства исследованных систем ухудшаются при увеличении содержания легирующих добавок, а также при переходе сплавов из быстрозакаленного в равновесное состояние. Наблюдаемые эффекты, вероятно, связаны с процессами выделения новых фаз, которые происходят при повышении содержания легирующего компонента, а также в результате термообработки. Следствием этих процессов является увеличение общей площади фазовых границ — предпочтительных мест коррозионных разрушений.
Б01: 10.7868/80044185615020060
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы алюминия с переходными металлами перспективны для создания легких сверхжаропрочных сплавов, поскольку характеризуются высокой энергией межатомной связи в образованных интерметаллических соединениях и низким коэффициентом диффузии атомов переходных металлов в твердом алюминии [1—3]. Применение спиннин-гования, лазерного облучения и других технологических методов высокоэнергетической обработки сплавов приводит к образованию метастабильных фаз, в результате распада которых происходит выделение упрочняющих интерметаллидов в мелкодисперсном состоянии. Результатом последнего обычно является возрастание прочностных характеристик. Перспективными в этом отношении являются сплавы алюминия с железом, в которых при сверхбыстрой закалке образуется метаста-бильная фаза РеЛ16 и пересыщенный твердый раствор на основе алюминия. В процессе их дисперсионного твердения формируются крупнозернистые включения равновесной интерметаллидной фазы БеЛ13, склонной к коагуляции, что существенно ухудшает прочностные свойства алюминиевых сплавов [3, 4]. В связи с вышеизложенным, возникает необходимость введения в сплав третьего компонента — модификатора, в качестве которого выступает ванадий. Добавки ванадия стабилизируют микрокристаллическую структуру железоалюминиевых сплавов, увеличивая при этом эффект дисперсионного тверде-
ния [5]. Следует ожидать, что легирование ванадием благоприятно отразится на коррозионной стойкости сплавов алюминия с железом, поскольку, как известно, ванадий стоек в хлорид-содержа-щих средах [6—8]. Помимо этого ванадий стабилизирует пересыщенные твердые растворы железа в алюминии [5, 9].
В настоящей работе сопоставляются коррозионные свойства равновесных и быстрозакален-ных сплавов системы Л1—Ре—У. Известно, что легирование алюминия переходными металлами по-разному влияет на коррозионные свойства получаемых сплавов. Анализ литературных данных (см., например, [9—11]) показывает, что введение добавок железа не может существенно улучшить коррозионную стойкость алюминия в хлоридсо-держащих растворах как из-за отсутствия способности железа к самопассивации, так и из-за малой его растворимости в алюминии. Известно, что коррозионный потенциал алюминия существенно изменяется в том случае, если легирующие элементы входят в состав твердого раствора [12]. Ванадий обладает высокой коррозионной стойкостью в хлоридсодержащих растворах [13], однако его растворимость в алюминии, как и других переходных металлов, очень мала.
Известно, что наряду с химическим составом, существенное влияние на коррозионные свойства оказывают структурные составляющие, такие как, например, размер и форма кристаллитов, их тип и протяженность границ раздела между
различными структурными составляющими [10, 14]. Из литературных данных следует, что влияние размера зерна на коррозионные свойства является неоднозначным и во многом определяется свойствами коррозионной среды и химическим составом сплава [14, 15].
Таким образом, обзор литературы свидетельствует о том, что устойчивость к коррозии микрокристаллических сплавов на основе алюминия в растворах кислот с добавкой и без добавки хлорид-ионов может быть выше, чем сплавов, полученных стандартным способом выплавки. Проверка данного предположения и стала основным предметом настоящего исследования.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для проведения настоящего исследования была приготовлена серия сплавов. В качестве исходных компонентов сплавов использовались: алюминиевая стружка марки А-999, железо в виде порошка (чистота 99.95 мас. % Бе) и ванадий электролитический (чистота 99.97 мас. % V). Сплавы были получены в электродуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом на медном водоохлаждаемом поддоне в атмосфере аргона при остаточном давлении 2.67 х 10-4 Па и напряжении 80—90 В. В качестве геттера использовался титан.
Легирующие добавки предварительно сплавлялись в "королек", далее к нему небольшими порциями добавлялся алюминий с последующим однократным плавлением. После этого сплав двукратно переплавлялся с переворачиванием после каждой плавки. Угар не превышал 1.0—1.5 мас. %. Состав полученных сплавов контролировался методом микрорентгеноспектрального анализа на микроанализаторе "СашеЪах-ш1его" посредством набора импульсов в течение 10 секунд в 10 точках фазы. Для алюминия, железа и ванадия использовалось характеристическое Ка1 излучение при ускоряющем напряжении 15 кэВ. Введение поправки на атомный номер, поглощение и флуоресценцию [16] для пересчета относительных интенсивно-стей в относительные концентрации осуществлялось с помощью ZAF — коррекции по стандартной программе "11/23".
Для приведения сплавов в равновесное состояние проводился гомогенизирующий отжиг в ва-куумированных кварцевых ампулах с остаточным давлением 1.33 х 10-2 Па при 823 К в течение 540 часов. В качестве геттера использовалась титановая стружка, которая помещалась непосредственно в ампулу. Закалка проводилась от температуры 773 К в ледяную воду с последующим разбиванием ампул под водой.
Быстрозакаленные сплавы были получены методом спиннингования в виде лент шириной 2—5 мм и
толщиной 0.01—0.02 мм посредством быстрого охлаждения струи расплава на внешней поверхности медного цилиндра, вращающегося с большой скоростью. Скорость закалки составляла порядка 106 К/с, которая определялась по калибровочному графику. Быстрозакаленные сплавы отжигались в вакуумированных ампулах из стекла марки Пирекс. Изотермическая выдержка проводилась при 773 ± 5 К. Время отжига составляло 48 часов. Температура измерялась с помощью платина—платинородиевой термопары.
Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился методом порошка на приборе "ДРОН-4" в моно-хроматизированных ^„-излучениях хрома и железа. Значения межплоскостных расстояний определялись с помощью программы "EXSPRESS". Идентификация фаз проводилась по картотеке JCPDS—ICDD. При расчете параметров решетки использовалась программа "POWDER".
Для проведения микроструктурного анализа образцы подвергали травлению в течение 1—2 секунд в смеси: HCl : HF : H2SO4 : C2H5OH = 15 : 1 : 3 : 1. Съемку микроструктур осуществляли на микроскопе "Neophot-2" при 125- и 200-кратном увеличении.
Электрохимические измерения проводились в 3%-ном растворе хлорида натрия на приборе П-5827М при комнатной температуре в условиях естественной аэрации раствора в ячейке ЯСЭ-2 с разделенными анодным и катодным пространствами. Анодом служил исследуемый сплав, катодом — платиновая пластина. Потенциалы измерялись относительно насыщенного хлорсеребряно-го электрода и пересчитывались на значения относительно стандартного (нормального) водородного электрода (н.в.э.). Токи измерялись миллиамперметром М-245, линейная развертка потенциала осуществлялась со скоростью 40 мВ/мин из катодной области от потенциалов примерно —1300 мВ в положительном направлении. Нерабочая часть образцов изолировалась от раствора эпоксидной смолой; рабочую поверхность образцов перед измерениями шлифовали на наждачной бумаге различной зернистости, затем на сукне, смоченном суспензией оксида алюминия, далее обезжиривали диэти-ловым эфиром, после чего промывали дистиллированной водой [17]. Коррозионный потенциал устанавливался до практически постоянного стационарного значения в течение 40—60 мин. Приводимые плотности тока рассчитывались на единицу видимой поверхности электродов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице представлены результаты локального рентгеноспектрального (ЛРСА) и рентгенофа-зового анализов (РФА), а также основные электрохимические параметры равновесных и быст-
Химический и фазовый составы сплавов системы Л1-Бе-У и их коррозионные характеристики
№ образца Элементный состав по данным ЛРСА, ат. % Состояние Фазовый состав по данным РФА Потенциал коррозии, мВ (н.в.э.) lgi [А/см2]
Al Fe V
1 95.0 5.0 - равновесное Al + FeAl3 -450 -5.3
2 92.0 8.0 - равновесное Al + FeAl3 -470 -4.3
3 86.0 14.0 - равновесное Al + FeAl3 -460 -4.5
4 84.0 16.0 - равновесное Al + FeAl3 -490 -4.5
5 98.0 - 2.0 равновесное Al -440 -5.3
6 91.0 - 9.0 равновесное Al + VAln -450 -4.3
7 87.5 - 12.5 равновесное VAl7 -490 -4.6
8 97.5 2.0 0.5 равновесное Al + FeAl3 + VAln -500 -4.9
9 98.5 1.5 - быстрозакаленное Al -330 -7.0
10 98.0 2.0 - быстрозакаленное, отожженное Al + FeAl3 -310 -6.6
11 95.0 5.0 - быстрозакаленное Al + FeAl6 -510 -5.4
12 95.0 5.0 - быстрозакаленное, отожженное Al + FeAl3 -500 -6.7
13 98.0 - 2.0 быстрозакаленное Al -520 -6.0
14 98.0 - 2.0 быстрозакаленное, отожженное Al + VAln -470 -5.1
15 87.0 - 13.0 быстрозакаленное Al + УАЬз -510 -6.0
16 97.5 2.0 0.5 быстрозакаленное Al -490 -4.7
17 95.3 4.0 0.7 быстрозакаленное, отожженное Al + FeAlx, где 3 < x < 6 -470 -5.3
розакаленных алюминиевых сплавов, легированных железом и ванадием.
Известно, что чистый алюминий в присутствии хлорид-ионов практически не имеет области пассивации [18]. На рис. 1 (
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.