научная статья по теме РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИДКИХ СПЛАВАХ AL-NI-(LA/Y/CE) Физика

Текст научной статьи на тему «РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИДКИХ СПЛАВАХ AL-NI-(LA/Y/CE)»

РАСПЛАВЫ

1 • 2015

УДК 536-12:54-143:546.62 '74 '64

© 2015 г. А. Л. Бельтюков1, С. Г. Меньшикова, М. Г. Васин, В. И. Ладьянов, А. Ю. Корепанов

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИДКИХ СПЛАВАХ Al-Ni-(La/Y/Ce)

Изучены температурные и временные зависимости вязкости жидких сплавов Al87Ni8Y5, Al86Ni8La6, Al86Ni8Ce6 и расплавов бинарных систем Al—Ni и Al—Y с содержанием алюминия более 90 ат. %. Обнаружены немонотонные релаксационные процессы в расплавах Al—Y, Al—Ni—(La/Y/Ce) после перехода кристалл—жидкость, обусловленные разрушением неравновесного состояния, унаследованного от исходного гетерогенного твердого сплава и предложен их механизм.

Ключевые слова: расплав, вязкость, неравновесное и равновесное состояние расплава, релаксация.

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы на основе Al (80—90 ат. %) с переходными и редкоземельными металлами имеют высокую склонность к аморфизации и в аморфном состоянии отличаются высокими прочностными характеристиками по сравнению с литыми промышленными алюминиевыми сплавами при сохранении пластичности и коррозионной стойкости [1, 2]. Дальнейшее повышение аморфизующей способности и улучшение свойств аморфных сплавов связано с возможностью воздействия на формирование их структуры в процессе сверхбыстрой закалки, т.е. на стадии получения путем температурно-временной обработки расплава [3].

Известно, что многие металлические расплавы, особенно многокомпонентные, сразу после плавления могут находиться в неравновесном состоянии, наследуемом от исходного многофазного твердого образца [4, 5]. Процесс их релаксации в состояние равновесия может длиться часами и часто имеет немонотонный характер. Кроме этого, в жидком состоянии могут фиксироваться также и метастабильные неравновесные состояния, из которых расплав без дополнительных воздействий (термических, механических и др.) выйти не может [4—6].

Для исследования особенностей релаксационных процессов обычно используются температурные и временные зависимости различных структурно-чувствительных свойств, в частности вязкости. На температурных зависимостях релаксационные процессы проявляются в виде необратимого изменения свойства при нагреве и последующем охлаждении, которое приводит к гистерезису политерм. При измерении свойств в изотермических условиях релаксационные процессы проявляются в виде немонотонного изменения его значений с течением времени. Часто временные зависимости имеют колебательный характер [7, 8].

В данной работе представлены результаты исследований температурных и временных зависимостей кинематической вязкости жидких сплавов Al87Ni8Y5, Al86Ni8La6, Al86Ni8Ce6 (химический состав сплавов указан в ат. %) и расплавов бинарных систем Al—Ni и Al—Y с содержанием алюминия более 90 ат. % и предложен возможный механизм немонотонных релаксационных процессов, происходящих в них после плавления.

1 albeltyukov@mail.ru.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ

Сплавы Al—Ni и Al—Y были получены сплавлением алюминия марки A999 и лигатур Al85Ni15 или Al90Y10 в печи вискозиметра в атмосфере очищенного гелия при температуре 1100°С и изотермической выдержке не менее 1 ч. Лигатуру Al85Ni15 получили сплавлением алюминия А999 и электролитического никеля (99.6 мас. %) в печи сопротивления при остаточном давлении 10-2 Па и температуре 1670°С в течение 30 мин. Лигатура Al90Y10 и сплавы Al87Ni8Y5, Al86Ni8La6, Al86Ni8Ce6 были выплавлены в электродуговой печи в атмосфере очищенного аргона. Исходными компонентами при их выплавке служили металлы с содержанием (мас. %) основного элемента: алюминий 99.99, лантан 99.99, иттрий 99.8, церий 99.9 и электролитический никель 99.96.

Измерения вязкости проводили методом крутильных колебаний на автоматизированной установке по методике, подробно описанной в работе [9]. Все измерения проводили в защитной атмосфере очищенного гелия. В качестве тиглей использовали цилиндрические стаканчики из Al2O3. С целью исключения неконтролируемого влияния на процесс измерения образующейся на поверхности сплава оксидной пленки в тигель поверх образца помещали крышку, выполняющую роль второй торцевой поверхности [10]. Конструкция тигля с крышкой приведена в работе [11]. При изготовлении крышек использовали стаканчики из Al2O3 внешним диаметром на 0.5 мм меньше внутреннего диаметра тигля. В ходе эксперимента крышка плотно прилегала к верхней границе расплава и двигалась вместе с тиглем при совершении крутильных колебаний. Тигли и крышки предварительно отжигали в вакуумной печи при остаточном давлении 10-2 Па при температуре 1650°С и изотермической выдержке в течение 1 ч. Перед измерениями все образцы переплавляли при 1200°С в тигле с крышкой в печи вискозиметра с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Общая относительная погрешность измерения вязкости не превышает 4% при погрешности единичного измерения не более 2.5%.

Температуры плавления сплавов определили методом дифференциального термического анализа (ДТА) [12] на анализаторе ВТА-983 с компьютеризированной системой регистрации. При термическом анализе регистрировали зависимость разности температур исследуемого образца и эталона от температуры эталона при нагреве и охлаждении с фиксированной скоростью. В качестве эталона использовали вольфрам. Все измерения проводили в защитной атмосфере очищенного гелия в тиглях из Al2O3. Для уменьшения погрешности при определении температуры показания измерительной термопары были отградуированы по температурам фазовых превращений в чистых металлах (Sn, Bi, Al, Ag, Cu, Ni, Fe). Погрешность определения температуры в данном методе составляет ±5°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 (кривые 1—4) приведены типичные термограммы сплавов, полученные при нагреве со скоростью 100 град/мин. По термограммам определили температуры начала (?8) и конца (?ь) процесса плавления сплавов. При данной скорости нагрева температура начала плавления сплавов бинарной системы А1—У (~640°С) практически совпадает с температурой солидуса на диаграмме состояния (~639°С) [13], а температуры конца плавления сплавов превышают их температуры ликвидуса до 20°С. Это, по-видимому, связано с относительно высокой скоростью нагрева сплава при термическом анализе. При меньшей скорости нагрева (20 град/мин) температуры конца процесса плавления сплавов определить не удалось (рис. 1, кривая 5) в связи с недостаточной чувствительностью экспериментальной установки. Полученные нами температуры конца плавления сплавов приведены в таблице. Все дальнейшие исследования температурных (в режиме нагрева) и временных зависимостей вязкости проводи-

400 600 800 1000 ^ °С

Рис. 1. Термограммы ДТА сплавов А18б^8Ьаб (1), А187№8У5 (2), А^У]^ (3) и А^Ущ (4), полученные при нагреве со скоростью 100 град/мин, и А190У10 (5) — при нагреве со скоростью 20 град/мин.

ли при температурах соответствующих однофазному жидкому состоянию сплавов, т.е. выше температур конца их плавления.

Типичные температурные зависимости вязкости расплавов А187№8У5 и А186№8Ьа6, полученные при нагреве и последующем охлаждении, приведены на рис. 2. На политермах наблюдается относительно резкое изменение значений вязкости в режиме нагрева и отрицательный гистерезис при последующем охлаждении. Аналогичные температурные зависимости вязкости были получены для жидких сплавов А186№6Со^ё4(У/ТЪ)2 [14, 15]. Вид политерм, полученных при нагреве, и температура

Таблица

Температуры ликвидуса сплавов, времена релаксации расплавов при различных температурах и параметры аппроксимирующих уравнений температурных зависимостей вязкости, полученных в режиме охлаждения после длительных изотермических выдержек

Сплав t, °С т, мин A ■ 107, м2/с Еу ■ 10 3, Дж/моль

870 900 210 ± 20 1.29 9.23

1050 130 ± 20

1200 75 ± 20

А186№8Ьа6* 860 900 250 ± 25 0.94 16.6

1000 180 ± 20

1100 130 ± 10

1200 110 ± 10

1300 70 ± 10

А186^8Се6* 885 900 200 ± 20 1.28 13.2

1000 160 ± 10

1100 135 ± 10

1200 80 ± 10

А199У1 670 700 120 ± 20 1.7 9.1

800 -

740 870 160 ± 20 1.4 13.4

1070 80 ± 20

А190У10 920 1000 200 ± 20 1.0 17.7

1200 130 ± 20

* Времена релаксации расплавов определены в работе [15].

начала гистерезиса вязкости зависят от режима измерений. В частности, при уменьшении длительности изотермической выдержки на каждой температуре происходит смещение температур резкого изменения вязкости и начала гистерезиса в область более высоких температур (рис. 2б). При повторном нагреве расплава без его кристаллизации политерма вязкости хорошо согласуется с температурной зависимостью, полученной в режиме охлаждения (рис. 2б, кривая 1).

При исследовании вязкости жидких сплавов А186№8Ьа6, А186№8Се6 и А187№8У5 [15, 16] в изотермических условиях (изменения температуры не более ±0.5°С) после нагрева образца от комнатной температуры, были получены немонотонные временные зависимости с ярко выраженным пиком на фоне уменьшающихся с течением времени значений (рис. 3). Относительная величина этого пика и значение времени, при котором он проявляется, уменьшаются при повышении температуры перегрева расплава по отношению к температуре ликвидуса. По временным зависимостям вязкости расплавов были определены значения времен релаксации как время, в течение которого в изотермических условиях устанавливаются постоянные значения вязкости (см. таблицу).

Дополнительно были проведены измерения температурных зависимостей вязкости расплавов после длительной изотермической выдержки (рис. 4). В этих опытах перед

4.0

3.5

3.0

2.5

800

900

1000

1100

^ °С

« — I о — II + — III

800

1000

1200

t, °С

Рис. 2. Политермы вязкости расплавов А^№8У5 (а) и А18б^8Ьаб [15] (б), полученные в режиме изотермических выдержек на каждой температуре в течение 30 мин (1) и 5 мин (2): I — нагрев; II — охлаждение; III — повторный нагрев без кристаллизации.

измерениями образец нагревали до заданной начальной температуры со скоростью 30—40 град/мин и проводили изотермическую выдержку, длительность которой превышала время релаксации расплава при данной температуре. Измерения вязкости проводили в режиме ступенчатого изменения температуры после изотермических выдержек на каждой те

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»