научная статья по теме РАССЛОЕНИЕ И УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА CU-SN-IN-BI- CD ЭКВИАТОМНОГО СОСТАВА Физика

Текст научной статьи на тему «РАССЛОЕНИЕ И УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА CU-SN-IN-BI- CD ЭКВИАТОМНОГО СОСТАВА»

РАСПЛАВ Ы

3 • 201:5

УДК 548.736.398

РАССЛОЕНИЕ И УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА Cu-Sn-In-Bi-Cd

ЭКВИАТОМНОГО СОСТАВА

© 2015 г. О. А. Чикова, В. С. Цепелев, В. В. Вьюхин, К. Ю. Шмакова

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,

г. Екатеринбург, Мира, 19 e-mail: сhik63@mail.ru Поступила в редакцию 25.02.2015 г.

Проведено вискозиметрическое исследование высокоэнтропийного расплава (ат. %) Cu—20% Sn—20% In—20% Bi—20% Cd. По результатам опыта определены температуры ликвидуса и солидуса, а также температура при нагреве до которой происходит необратимое разрушение микронеоднородностей наследственного характера в расплаве.

Ключевые слова: высокоэнтропийный расплав, вязкость, расслоение, микронеоднородность.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время на основе анализа результатов многочисленных экспериментальных исследований сформировалось представление о многокомпонентных металлических расплавах как о высокоэнтропийных системах эквиатомных составов. Концепция основана на гипотезе о том, что высокая энтропия смешения может стабилизировать образование твердых растворов и предотвратить образование интерметаллических фаз в процессе кристаллизации. Поэтому высокоэнтропийные сплавы могут обладать повышенной прочностью, термической стабильностью в сочетании с хорошей стойкостью к окислению и коррозии. Для достижения высокой энтропии смешения сплав должен, как правило, состоять из пяти и более основных элементов, взятых в равных атомных долях [1—4].

Из опыта известно, что важным технологическим фактором, обеспечивающим получение высокоэнтропийного сплава, является достаточно высокая скорость охлаждения металла в жидком и твердом состояниях (свыше 105 град/с), которая не дает возможности развиться диффузионным процессам, приводящим к образованию химических соединений, т.е. к распаду твердого раствора и, следовательно, к снижению энтропии смешения [3, 4].

Применение высоких скоростей охлаждение не всегда оправдано с практической точки зрения, так как препятствует получению массивных образцов. В качестве альтернативного высокоскоростному охлаждению авторы предлагают использовать способ перевода расплава перед кристаллизацией в однородное на атомном уровне состояние путем нагрева до определенной для каждого состава температуры [5, 6]. Идея метода основана на предположении о том, что при температурах выше ликвидуса в расплаве в течение длительного времени могут существовать микронеоднородности наследственного характера. Для необратимого разрушения микронеоднородностей нужны перегревы расплава над линией ликвидус или иные энергетические воздействия. После такого перегрева расплав необратимо переходит в состояние истинного раствора, что существенно изменяет условия кристаллизации металла.

Температуру, отвечающую необратимому переходу расплава в однородное состояние Т*, определяют по началу высокотемпературного совпадающего участка поли-

450 550 650 750 850 950 1050 1150 ^ °С 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Рис. 1. Политерма кинематической вязкости v(t) расплава (ат. %) Си—20% 8п—20% 1п—20% Б1—20% Сё (нагрев образца до 1300°С) (• — нагрев, о — охлаждение [7].

терм нагрева и охлаждения какого-либо структурно-чувствительного свойства расплава, например вязкости [5, 6].

В настоящей работе исследованы температурные зависимости вязкости v(t) расплава Си—8п—1п—Б1—Сё эквиатомного состава с целью определения температур гомогенизации ликвидуса, солидуса и Т*. Ранее авторами проведено измерение вязкости данного расплава в интервале температур от ликвидуса до 1300°С. [7]. При обсуждении результатов измерений обнаружились два обстоятельства, требующие более подробного вискозиметрического исследования данного расплава:

1. Кадмий имеет температуру кипения Ткип = 765°С и может улетучиваться из расплава в ходе опыта; контроль массы образца до и после эксперимента показали потерю ~5% металла.

2. В интервалах температур 565—635 и 885—935°С наблюдалось изменение параметров вязкого течения в режиме нагрева (рис. 1).

Поэтому измерение вязкости расплава (ат. %) Си—20% $п—20% 1п—20% Б1—20% Сё проведены в интервале температур от ликвидуса до 885°С и от ликвидуса до 635°С < Ткип в режиме нагрева и последующего охлаждения образца. В последнем опыте дополнительно определены температуры ликвидуса Тл и температуры солидуса Тс по методике, предложенной авторами [8].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Вязкость V измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов. Измерения проводили в максимально широком температурном интервале в режиме изотермических выдержек (не менее 30 мин) со ступенчатыми изменениями температуры по 20—50°С. Измерение временных зависимостей вязкости осуществляли в тех же экспериментах. При каждой температуре проводили 20 последовательных отсчетов. При проведении измерений регистрацию параметров колебаний осуществляли оптическим способом с помощью системы фоторегистрации колебаний. Методика измерений и обработки экспериментальных данных подробно описана в работах [9—11]. Шихтовыми материалами служили медь марки Мк00, олово марки 0ВЧ-000, индий марки, висмут марки и кадмий марки. Во всех опытах использовали тигли из ВеО. Измерения вязкости проводили в атмосфере высокочистого гелия под давлением 105 Па. Систематическая погрешность измерения V составляла 3%, а случайная, определяющая разброс точек в ходе одного опыта, при доверительной вероятности Р = 0.95 не превышала 1.5%.

Расслоение и условия кристаллизации расплава Си—8п—1п—В1—С(1

29

470 490 510 530 550 570 590 610 t, °С

Рис. 2. Политерма кинематической вязкости v(t) расплава (ат. %) Си—20% 8п—20% 1п—20% В1—20% Сё ( нагрев образца до 635°С) (• — нагрев, о — охлаждение).

Рис. 3. Политерма кинематической вязкости v(t) расплава (ат. %) Си—20% 8п—20% 1п—20% В1—20% Сё ( нагрев образца до 685°С) (• — нагрев, о — охлаждение).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты вискозиметрического исследования расплавов Си—8п—1п—В1—Сё экви-атомного состава представлены на рис. 1—3. При нагреве расплава до 635°С < Ткип обнаружено расхождение политерм нагрева и охлаждения (гистерезис). Температура, отвечающая переходу расплава в более однородное состояние Т*, которую авторы определяли по началу высокотемпературного совпадающего участка политерм нагрева и охлаждения, в этом опыте оказалась равной 585°С (рис. 2).

Ранее [7] авторы обнаружили, что при нагреве расплава (ат. %) Си—20% $п— 20% 1п—20% В1—20% Сё до температуры 585°С происходит резкое изменение характеристик вязкого течения — энергии активации вязкого течения Е и энтропийного множителя А в уравнении Аррениуса: V = А ехр(Е/£Т). В опытах с нагревом и охлаждением расплава в интервале температур от 585 до 885°С расхождение температурных зависимостей кинематической вязкости не обнаружено (рис. 3). Контроль массы образца до и после опыта показал потерю массы металла менее 1% (нагрев расплава до 885 и 635°С).

На рис. 4а, б представлены временные зависимости кинематической вязкости высокоэнтропийного расплава (ат. %) Си—20% $п—20% 1п—20% В1—20% Сё, полученные в опытах с нагревом жидкого металла до 635°С и 885°С при температурах 500 и 600°С соответственно. В режиме нагрева в обоих случаях зафиксирован повышенный разброс значений кинематической вязкости. В режиме охлаждения вязкость образца практически не меняется со временем.

На рис. 5 приведена температурная зависимость декремента затухания колебаний подвесной системы вискозиметра для опыта с нагревом расплава (ат. %) Си—20% $п—

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 т, мин

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 т, мин

4.5

4.0

о

> 3.5

_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 т, мин

^ 2 ^ 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 т, мин

Рис. 4. Зависимости кинематической вязкости V от времени т (• — нагрев, о — охлаждение) при 500 (а) и

600°С(б).

8

0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

0 350

_1_

400

450

500

550

600 ^ °С

а

0

б

л

Рис. 5. Зависимость декремента затухания колебаний подвесной системы вискозиметра от температуры (• — нагрев, о — охлаждение).

20% 1п—20% Б1—20% Сё до 635°С. Согласно классификации авторов работы [8], вид температурной зависимости декремента затухания колебаний подвесной системы вискозиметра соответствует расплаву, компоненты которого образуют химические соединения в твердом состоянии. Температура солидус сплава (ат. %) Си—20% $п— 20% 1п—20% Б1—20% Сё составляет Тс = 440°С, а температура ликвидус Тл = 520°С; наблюдается переохлаждение металла АТ = 40° С.

Важно заметить, что во всех опытах с расплавом (ат. %) Си—20% $п—20% 1п— 20% Б1—20% Сё значения вязкости в режиме охлаждения оказались ниже соответствующих значений, зафиксированных при нагреве (рис. 1—3). Отмеченный факт значи-

Расслоение и условия кристаллизации расплава Cu—Sn—In—Bi—Cd

31

тельного понижения значений вязкости высокоэнтропийного расплава, т.е. повышения его жидкотекучести интересны для литейного производства. Авторы считают, что высокоэнтропийный сплав Cu—20 ат. % Sn—20 ат. % In—20 ат. % Bi—20 ат. % Cd может быть рассмотрен, как перспективный припой с Тл = 520°С и Тс = 440°С.

ВЫВОДЫ

1. Проведено вискозиметрическое исследование высокоэнтропийных расплавов системы (ат. %) Cu—20% Sn—20% In—20% Bi—20% Cd в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов. Получены временные зависимости кинематической вязкости V при 500 и 600°С.

2. Обнаружено расхождение политерм кинематический вязкости, отвечающих режимам нагрева и охлаждения. По результатам измерений определена температура со-лидус сплава (ат. %) Cu-20% Sn-20% In-20% Bi-20% Cd Тс = 440°С, и температура ликвидус Тл = 520°С.

3. Высокоэнтропийный сплав Cu-20 ат. % Sn-20 ат. % In-20 ат. % Bi-20 ат. % Cd может быть рассмотрен, как перспективный припой.

Работа была поддержана в рамках научных исследований высших учебных заведений Российской Федерации по государственному заданию № 2014/236.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Chung-Chin Tung, Chung-Chin Tung, Jien-Wei Yeh, Tao-tsung Shun, Swe-Kai Chen, Yuan-S he ng Huang, Hung-Cheng Chen. On the elemental effect of AlCoCrCuFeN

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 «Физика»