научная статья по теме БАРОТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВА AL С NI (15 АТ. %) Химия

Текст научной статьи на тему «БАРОТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВА AL С NI (15 АТ. %)»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2013, том 49, № 11, с. 1178-1184

УДК 546.3-19

БАРОТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Al с Ni (15 ат. %)

© 2013 г. А. Г. Падалко*, О. Г. Эллерт**, Н. Н. Ефимов**, В. М. Новоторцев**, Г. В. Таланова*, Г. И. Зубарев***, В. Т. Федотов****, А. Н. Сучков****, К. А. Солнцев*

*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения

им. А.А. Байкова РАН, Москва **Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии

им. Н.С. Курнакова РАН, Москва ***ОАО "Объединенная двигателестроительная корпорация", Москва ****Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

e-mail: padalko@orc.ru Поступила в редакцию 24.12.2012 г.

Проведен дифференциальный баротермический анализ фазовых превращений в сплаве 15Ni—85Al в интервале температур до 900°C и давлений до -100 МПа. Установлены барические смещения температур ликвидуса и солидуса, а также температуры твердофазных реакций растворения и выделения интерметаллида Al3Ni в Al-матрице. Показано, что после плавления и кристаллизации в сжатом аргоне концентрация микропор в образце увеличивается примерно на порядок по сравнению с исходным сплавом. Установлено, что микроструктура, размеры и морфология частиц интерметаллида в матрице алюминия в результате кристаллизации сплава при 100 МПа существенно изменились, а объемы элементарных кристаллических ячеек Al и Al3Ni увеличились. Проведено сравнительное изучение магнитных свойств сплава до и после цикла баротермографии.

DOI: 10.7868/S0002337X13110110

ВВЕДЕНИЕ

Детальное изучение бинарной системы Al—Ni во многом связано с ее прикладной значимостью. Благодаря уникальным свойствам материалов, базирующихся на этой системе, стало возможным создание широкого спектра современных никелевых жаропрочных сплавов [1], используемых при создании компонентов газотурбинных двигателей, испытывающих экстремальные механические и тепловые нагрузки, — лопаток, дисков и валов.

В технологии совершенных металлических материалов все более широко используется горячее изостатическое прессование (ГИП) при высоких, до 200 МПа, давлениях, позволяющее за счет удаления микропористости, изменений химического состава и морфологии структурных составляющих существенно улучшить механические свойства сплавов и их эксплуатационные характеристики [2—5]. Очевидно, что для выбора давлений и температур в процессе ГИП необходимо исследование фазовых равновесий при высоких давлениях и температурах. Однако для построения диаграмм состояния фазовые превращения в химических соединениях изучают при сверхвысоких (до 15 ГПа) давлениях в рабочих камерах объемом не более десятков кубических миллиметров, что существенно ограничивает практическое применение полученных результатов. Используя такой под-

ход, при давлении р < 15 ГПа установлены барические коэффициенты температур плавления чистых А1 и N1, а также изучено более 17 соединений никеля различного состава и более 38 соединений алюминия [6].

Известно, что в системе А1—N1 образуются пять интерметаллидов: А13№, А13№2, А1№ (в'), А1№3 (а') и А13№5 [7, 8]. Интерметаллид А13№ используется в качестве составной части катализатора, известного как никель Ренея, широко применяемого в процессах каталитического гидрирования органических соединений (аренов, алкенов и др.) [9]. Показано [10], что состав исходного сплава и размеры частиц оказывают существенное влияние на каталитические характеристики активированных катализаторов. В частности, катализаторы, полученные из сплавов, содержащих наибольшую объемную фракцию А13№, показали более высокую каталитическую активность по сравнению со стандартным коммерческим катализатором N1—68.5 ат. % А1 [10]. Особый интерес представляет изучение фазовых переходов в сплавах Ренея в зависимости от условий получения катализаторов. В работе [11] с целью улучшения каталитических свойств сплава предложен способ фрагментации зерен А13№, основанный на особенностях его структуры. Обнаружено, что наряду с каталитически активной /ее-фазой N1 в

Рис. 1. Оптические микрофотографии исходного (после синтеза) сплава 15№—85А1: х200 (а), 1000 (б).

сплаве существует другая активная фаза Ni с ор-торомбической структурой. Эта фаза зарождается непосредственно из Al3Ni и при определенных условиях может переходить в /Сс-фазу.

Целью настоящей работы являлось исследование фазовых превращений при высоких давлениях и температурах в заэвтектическом сплаве 85Al—15Ni, а также изучение микроструктуры и магнитных свойств этого сплава до и после кристаллизации при давлении = 100 МПа.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Методики подготовки исходных сплавов, дифференциального баротермического анализа, металлографических исследований, рентгенофазо-вого анализа и анализа изображений приведены в [12—14]. Синтез исходного сплава проводили при 850°C, а давление сжатого аргона при температуре фазовых превращений составляло = 100 МПа.

Исследования температурных и полевых зависимостей намагниченности проводили на автоматизированном комплексе для измерения физических свойств с возможностью измерения AC- и DC-намагниченности PPMS-9 фирмы Quantum Design в Центре коллективного пользования физическими методами исследования ИОНХ РАН. Абсолютная чувствительность при измерении DC-намагниченности ±2.5 х 10-5 Гс/см3. Измерения зависимости намагниченности от температуры проводили при напряженности внешнего магнитного поля Н = 1000 Э в процессе охлаждения (интервал температур 4—300 К). Полевые зависимости намагниченности измеряли в полях напряженностью до Hmax= 50 кЭ (5 Тл).

Изучение микроструктуры сплавов до и после цикла баротермографии проводилось в несколько этапов. По стандартным методикам определяли поверхностную по шлифу и объемную концентрации пор и частиц, их размеры, затем строили гистограммы распределения объектов по размерам, содержащие аппроксимирующие кривые и их аналитические выражения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микроструктура исходного сплава (рис. 1). После кристаллизации в кварцевом капилляре сплав обладает достаточно крупнозернистой структурой (рис. 1а). Ввиду хаотичности размеров и морфологии частиц интерметаллида (рис. 1б) границы зерен не определяли. Такая структура сплава связана с незначительным переохлаждением перед фазовой границей кристалл/расплав и образованием невысокой концентрации зародышей критического размера. По результатам оптической микроскопии при увеличениях до 1000 видно, что частицы А13№ обладают в основном полиэдрической морфологией и заметная доля частиц срастается в крупные образования.

В А1-матрице исходного сплава наблюдается равномерно распределенная микропористость (рис. 1б). Для идентификации темных областей с размерами = 1—2 мкм использовали энергодисперсионный микроанализ, с помощью которого сравнивали элементный состав А1-матрицы без включений с химическим составом включения. Полученные результаты показали практически полное совпадение содержания основных и примесных элементов, следовательно, изменение контраста на изображениях, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (темные микрообласти) и оптической микроскопии, связано с рельефом поверхности шлифа, т.е. с наличием пористости. Анализируя изображения исходной микроструктуры, определяли параметры пористости в полученных изображениях (рис. 2). Так, при установленном количестве пор ^пор = 50 ± 3 на площади 2326 мкм2 их поверхностная (по шлифу) плотность составляет 2.2 х 106 см-2, а концентрация — 3.2 х 109 см-3. Аппроксимирующая экспонента удовлетворительно соответствует полученному распределению, а ее аналитический вид приведен ниже:

^пиосрх = 4.8 х 102e-5'74'

(1)

,, шт.

25 20 15 10 5

йэ

Рис. 2. Гистограмма распределения пор по размерам в исходном (после синтеза) сплаве 85А1-15№ по анализу изображения на рис. 1б.

(а)

ДБАнагр, отн. ед. 50 40 30 20 10 0 10 20

300 400 500 600 700

г, °С (б)

1000

900

800

700

600

ДБАохл, отн.

ед. 80 60 40 20 0 -20 -40 -60

800 900 1000 г, °с

▲ Нагрев ▼ Охлаждение А13№

80

А1

10 15 20 N1, ат. %

Рис. 3. Баротермограммы нагрева (1) и охлаждения (2), полученные при давлении = 100 МПа (а) и фрагмент канонической фазовой диаграммы с нанесенными точками по результатам баротермического сканирования.

,,-исх 1

где N пор — количество пор, шт.; аэкв — диаметр круга, эквивалентного по площади сечению поры.

При этом объем средней поры составляет 2.0 х х 10-13 см-3, а доля пор в исходном сплаве равна

6.5 х 10-2 об. %, что позволяет характеризовать исходный материал как достаточно плотный и соответствующий по плотности методике, с помощью которой его формировали.

Результаты дифференциального баротермического анализа. Баротермограммы нагрева и охлаждения сплава (рис. 3а) отличаются от термограмм, полученных в обычных условиях на серийных приборах дифференциального термического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, повышенным уровнем шумов различного происхождения на дифференциальной кривой.

Баротермограмма нагрева (рис. 3а, кривая 1), полученная в среде сжатого до =100 МПа аргона, характеризуется небольшим ниспадающим участком, наличие которого можно связать с твердофазной реакцией растворения частиц А13№, которая начинается при 600°С. Далее амплитуда кривой эндотермического эффекта возрастает, и при использовании стандартного метода касательных установлена температура перехода твердое-жид-кость, равная 630°С. Эта температура ниже на 10°С температуры плавления эвтектики А1 + А13№ при обычных условиях и является температурой эвтектики для состава 85А1-15№ при давлении 100 МПа, т.е. соответствует температуре солидуса сплава. При 798°С происходит небольшое увеличение амплитуды сложного эндотермического пика, характеризующего единый процесс плавления полимодальных частиц интерметаллида, причем процесс завершается резким увеличением отрицательной амплитуды дифференциального сигнала, связанным, возможно, с одним из этапов растворения фракции А13№. Считая, что сложный эндотермический пик соответствует лишь единому процессу растворе

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