ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 2, с. 213-219
УДК 537.3
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК АЛЮМИНИЯ И ВАНАДИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТИТАНА
© 2014 г. Э. А. Бельская, Е. Ю. Кулямина
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: belskaya@iht.mpei.ac.ru Поступила в редакцию 08.04.2013 г.
Проведено обобщение экспериментальных данных по электросопротивлению сплавов титан-алюминий и титан-ванадий в интервале температур 77-1700 К и 77-350 К соответственно при концентрациях легирующих элементов менее 10 ат. %. При этих концентрациях в температурной области а-фазы (77-500 К) и в Р-фазе изотермы зависимостей р(с) носят линейный характер. Получены численные значения концентрационных угловых коэффициентов (dp/dc)T = b для систем Ti-Al и Ti-V при температурах 77 К и 300 К и в Р-фазе при Т = 1400 К для сплавов Ti-Al. Для сплавов Ti-Al рассчитаны температурные производные (dp/d7)T = ЬТ в а-фазе вблизи температуры Дебая и в Р-фазе, где зависимости р(Т) имеют близкий к линейному характер. Концентрационные зависимости температурных угловых коэффициентов bj(c) в обоих случаях с увеличением концентрации Al носят падающий характер, но отличаются по абсолютной величине на порядок.
DOI: 10.7868/S0040364414020045
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных легирующих компонентов промышленных титановых сплавов является алюминий. Он увеличивает механическую прочность титана, уменьшает деформируемость и удельный вес сплавов, стабилизирует a-фазу, которая при высоких температурах обладает преимуществами перед Р-фазой и т.д. При увеличении содержания алюминия от 0 до 10 мас. % температура a—Р-пе-рехода повышается от 1155 до 1350 К. Поэтому исследование свойств двойных систем Ti—Al, являющихся базовыми при создании большинства титановых сплавов, представляет особый интерес.
Применение метода электропроводности при высоких температурах признано целесообразным для построения фазовых диаграмм на основе титана [1]. В то же время отсутствуют систематизированные обобщения по влиянию концентрации алюминия на изменение температурных зависимостей электросопротивления твердых растворов замещения Ti—Al. Получение обобщенных численных зависимостей p(T, с) имеет практическую ценность, так как дает возможность оценить влияние различных концентраций Al на характер изменения структуры электронных энергетических зон титана и, соответственно, на степень дефор-мированности его кристаллической решетки.
Не маловажным аспектом, представляющим интерес для теории и практики, является сравнение влияния легирующих добавок замещения с различными атомарными весами на свойства титана. В данной работе рассматривается изменение электросопротивления титана, легированно-
го не только алюминием, но и ванадием, атомарные веса которых отличаются почти в два раза.
ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проведено обобщение собственных и литературных экспериментальных данных р(Т) сплавов титан—алюминий и титан—ванадий в области температур 77—1700 К. Характеристики рассматриваемых работ приведены в табл. 1. На рис. 1 в относительных координатах представлены сглаженные данные различных авторов по электросопротивлению сплавов Ti—Al.
В работах [2, 3, 5] экспериментальные данные для a-фазы приведены в виде сглаженных кривых не очень хорошего разрешения. Такое представление иногда вызывает сомнения в точности соответствия графических статейных изображений с экспериментальными результатами, и, соответственно, затрудняется оценка ошибки полученных из этих графиков данных. К сожалению, этот недостаток присущ многим опубликованным экспериментальным данным. Авторы работ [4, 6] привели таблицы сглаженных значений электросопротивления. Кржижановский [4] особо отмечает аномальный эффект значительного понижения электросопротивления для образца с содержанием алюминия 4.5—5 мас. %. Наиболее широкий интервал температур 77—1700 K детально изучен в работе [6]. Исследования проводились в вакууме 10-2 Па на образцах в виде стержней диаметром 4.5 мм, отожженных при температуре 1500 К в течение
Таблица 1. Характеристики экспериментальных работ
Автор, ссылка Год Интервал температур, К Легирующие добавки Концентрация, ат. % Количество образцов с с < 10 ат. % Вид представления Примечания
Ames S.L. [2] 1956 273-1150 Al 2-8 6 1 2
Sagel K. [3] 1956 77-1150 Al 0-38 1 1 3 4
Кржижановский Р.Е. [4] 1961 323-1170 Al 2.6-8 7 Теплопроводность X
Корнилов И.И. [5] 1963 300-1300 Al 1.76-30 6 1 3
Бельская Э.А. [6] 2012 77-1700 Al 3.5-10 3 4 sht*
Бельская Э.А. [6] 2012 77-1700 Al + V 9-13 3 4 sht *
Чарнецкий В.Г. [7] 1973 100-350 V 0.04-1.4 9 1 2 X, термоЭДС
Данная работа 77-350 V 1.9-5.6 3 2
Примечание. 1 — графическое представление, 2 — экспериментальные точки, 3 — сглаженная кривая, 4 — таблица сглаженных данных.
* Интегральная излучательная способность.
0.5 часа. Данные получены не только для бинарных сплавов Ti—Al, но и для тройных систем X—A1—V Кроме того, это единственные измерения, проведенные во всей температурной области Р-фазы.
Исследования электросопротивления бинарных систем титан—ванадий с вариацией концентрации ванадия в пределах 0.02—1.4 ат. % были проведены авторами работы [7] в интервале температур 100—350 К. Образцы предварительно отжигались 15—20 часов в вакууме (5 х 10-3 Па). Были так же измерены теплопроводность X и термо-ЭДС а. Авторы сделали вывод, что "заметное влияние присадок ванадия к титану на характер температурных зависимостей р(Т), X(T), а(Т) наблюдается только для сплавов с содержанием ванадия более 0.4—0.5 ат. %. При концентрациях менее этих значений характер всех данных мало отличается от таковых для чистого титана". К сожалению, малый интервал концентраций ванадия, исследованных в работе [7], не позволяет получить надежную аппроксимацию концентрационных зависимостей р(с) при Т = const.
Авторы данной работы провели измерения электросопротивления бинарных сплавов Ti—V в том же интервале температур 77—350 К для образцов с концентрацией ванадия 2, 4, 6 мас. %. Измерения осуществлялись с использованием четы-рехзондового метода на постоянном токе на образцах d = 3 мм и l = 35 мм без предварительной термообработки. Полученные результаты хорошо согласуются с данными работы [7].
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБЛАСТЬ а-ФАЗЫ 77-1150 К
По имеющимся экспериментальным данным р( Т) для сплавов титан-алюминий и титан—ванадий были проведены расчеты, во-первых, концентрационных зависимостей р(с)А1у при температурах 77 и 300 К и, во-вторых, для бинарных систем X—А1 концентрационных зависимостей температурных производных электросопротивления йр/йТ = /(е) при комнатных температурах. Принципиальный подход и схема расчета аналогичны использованной авторами ранее в работе [8] для твердых растворов а-титан—кислород.
В области концентраций с < 10 ат. % и температур 77—450 К изотермы концентрационных зависимостей р(е) для обоих систем Т1—А1 и Х—У носят близкий к линейному характер и аппроксимированы по МНК линейными функциями. Разброс индивидуальных значений концентрационных угловых коэффициентов (йр/йе)Т = Ь для работ [2—6] варьировался в достаточно узких пределах ±7%. Расчет результирующих значений йр/йс проводился по относительным данным Ар(с) = рспл — рХ1, где рХ — электросопротивление исходного титана, полученного из линейных ап-проксимационных зависимостей рспл(е) для конкретного автора. На рис. 2 представлены относительные данные Ар (с) для систем Х1—А1 и Х—У при температурах 77 и 300 К. Они так же аппроксимированы МНК линейными функциями. Рассчитанные значения йр/йс приведены в табл. 2.
Р/Р300
/> л
/>' \ /' 3
500
1000
1500 T, K
Рис. 1. Температурные зависимости относительного электросопротивления бинарных сплавов титан—алюминий (цифры возле кривых обозначают содержание алюминия (в ат. %)): 1 — [2] (с = 2, 3, 5, 6, 8); 2 — [3] (1.76); 3 — [4] (2.6, 3.5, 4.4, 6.1, 7.0, 7.1); 4 - [5] (1.76, 3.5, 5.2, 7.7); 5 - [6] (3.5, 6.8, 10).
В расчетах были использованы экспериментальные данные по электросопротивлению тройных систем Т—А1—У, исследованных в работе [6]. С учетом того, что концентрация ванадия в этих сплавах варьировалась в узких пределах 1.6—3.4 ат. %, они рассматривались как твердые растворы замещения с аддитивным вкладом добавочных сопротивлений каждой из легирующих добавок рТ1-А1-У = рТ + + ДрА1 + ДрУ. С использованием полученных значений ЬУ (табл. 2) рассчитывалось электросопро-
тивление бинарных сплавов титан—алюминий Ptí-ai = Ptí-ai-v — Vv при температурах 77 и 300 К. Эти значения также представлены на рис. 2 и подтверждают правомерность принятого ранее подхода [8]. Поэтому во всех последующих расчетах экспериментальные данные по тройным сплавам из [6] принимались к рассмотрению.
Для описания температурных зависимостей р(Т) сплавов Ti—Al в a-фазе при T = 273—1100 К было принято уравнение, полученное для титана
0
Таблица 2. Изотермы концентрационных производных электросопротивления dp/dc титановых сплавов: Ti—Al, Ti-V, Ti-O
Фаза (кристалличе- Т, К (dp/dc) х 108, (Ом м)/ат. %; (R2)
ская решетка) Al V O [8]
a-фаза (ГПУ) Р-фаза (ОЦК) 77 300 1400 11.3 (0.98) 10.6 (0.95) 2.2 (0.96) 2.7 (0.76) 3.4 (0.93) Менее 1.5 (?) 12.5 (0.98) 11.0 (0.98) Данных нет
(dp/dT)(1/рзоо), К-1
0.004
0.003
0.002
0.001
IT. %
40 90 140 190
р300 х 108, Ом м
0
(Рспл - Ptí) х 108, Ом м 120
80
40
0
120 80 40
0 5 10 с,
Рис. 2. Концентрационные зависимости относительного электросопротивления для бинарных сплавов Tí—Al и Ti-V: (a) - 300 К, (б) - 77 К; Ti-Al: 1 - [2], 2 -[3], 3 - [4], 4 - [5], 5 - [6], 6 - [6] (по данным Ti-Al-V); Ti-V: 7 - [7], 8 - данная работа.
Рис. 3. Зависимость температурных производных относительного электросопротивления от Р300 вблизи температуры Дебая; Ti-Al: 1 - [2], 2 - [3], 3 - [4], 4 -[5], 5 - [6]; Ti-Al-V 6 - [6]; Ti-O: 7- [8]; Tí: 8 - [9].
[9]. Это же уравнение ранее было использовано для расчетов р(Т) твердых растворов внедрения а-титан—кислород в [8]. Но придавать параметрам АЕ и в для твердых растворов такой же физический смысл, что и для титана, не вполне корректно. Во-первых, наличие легирующих атомов внедрения в какой-то ме
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.