ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2010, том 110, № 2, с. 171-183
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.356:539.25:538.945
СТРУКТУРА ВЫСОКООЛОВЯНИСТОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ ТИТАНОМ БРОНЗЫ, ПОЛУЧЕННОЙ ОСПРЕЙ-МЕТОДОМ
© 2010 г. И. Л. Дерягина*, Е. Н. Попова*, С. В. Сударева*, Е. П. Романов*, Л. В. Елохина*, Е. А. Дергунова**, А. Е. Воробьева**, И. М. Абдюханов**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ОАО ВНИИ Неорганических Материалов им. акад. Бочвара, 123060 Москва, ул. Роговая, 5
Поступила в редакцию 17.11.2009 г.; в окончательном варианте — 15.01.2010 г.
Методами оптической, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии с привлечением количественного микроанализа изучены легированные титаном бронзы с повышенным содержанием олова (14.5 — и 15.5 мас. %), полученные Оспрей-методом, в исходном состоянии и после горячей экструзии. Исследуемые сплавы используются в качестве бронзовых матриц многоволоконных сверхпроводящих композитов №Ъ/Си—8п. Увеличение содержания олова в бронзовой матрице позволяет повысить критическую плотность тока многоволоконного композита за счет улучшения структуры и состава образующегося при диффузионном отжиге сверхпроводящего соединения №Ъ38п. Показано, что Оспрей-тех-нология позволяет получить бронзу с повышенным содержанием $п и при этом уменьшить характерную для литых бронз дендритную ликвацию. Изучено распределение $п и 11 в исследуемых сплавах. Более однородная структура в исходном состоянии получена на сплаве Си—14.58п—0.24И. Повышение концентрации олова до 15.5 мас. % приводит к образованию микрообластей дендритной ликвации с эвтектоидом (а + 8) в исходном состоянии, что незначительно снижает пластические характеристики этой бронзы.
Ключевые слова: структура, бронза, Оспрей-технология, электронная микроскопия.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время во всем мире активизируются исследования, направленные на более широкое практическое применение явления сверхпроводимости. Сверхпроводники на основе сплава №>—11 и соединения №Ъ38п уже нашли достаточно широкое применение. При этом многоволоконные композиты на основе соединения №Ъ38п занимают особое место среди всех известных сверхпроводящих материалов. ВНИИНМ им. акад. Бочвара принимает активное участие в разработке этих сверхпроводников для Интернационального экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), решая в связи с этим целый ряд научных и технических проблем. Данное исследование выполнено на образцах бронз для этих композитов.
Известно, что при использовании "бронзового" метода изготовления многоволоконных сверхпроводящих композитов содержание олова в бронзе должно быть как можно выше. В этом случае активно идет процесс диффузии, сокращается время образования диффузионного слоя, улучшается его стехиометрия, увеличивается толщина слоя, а размер зерен №Ъ38п в слое уменьшается. Однако при традиционных технологиях получения бронз превышение содержания олова в сплаве свыше 14 мас. %
(9.1. ат. %) приводит к образованию эвтектоида (а + 5) и выделению хрупких фаз 5 (Си318п8 — 20.6 ат. % 8п) и б (Си38п — 25 ат. % 8п), что препятствует протеканию пластической деформации материала при последующих стадиях обработки для получения длинномерных проводов, в том числе и при горячей экструзии [1, 2].
Имеются два пути повышения концентрации олова в композите. Первый — задавать относительно высокое соотношение объемов бронзовой матрицы и ниобия (3 : 1), чтобы обеспечить требуемую для формирования слоя №Ъ38п концентрацию олова. Второй — максимально повышать концентрацию олова в бронзе с помощью применения специальных технологий. Легирование матрицы и жил многоволоконных сверхпроводящих композитов на основе №Ъ38п позволяет улучшать сверхпроводящие характеристики проводников, используемых в устройствах с сильными магнитными полями. Но легирование зачастую снижает пластические характеристики бронзовой матрицы [3, 4]. Решить проблему пластичности легированных бронзовых матриц с высоким содержанием олова (>14 мас. % 8п) помогает разработка специальных технологий [5, 6].
Одним из наиболее перспективных методов получения легированных высокооловянистых бронз с однородной структурой и хорошими пластиче-
Таблица 1. Описание бронз, полученных Оспрей-методом
№ Образцы Фазовый состав* Параметр решетки*, А
1 Бронза Cu-14.5Sn-0.241i (мас. %), исходное состояние а-фаза Cu—Sn 3.700
2 Бронза Cu-14.5Sn-0.24T (мас. %), образец от прутка 0 95 мм, состояние после горячей экструзии а-фаза Cu—Sn 3.700
3 Бронза Cu-15.5Sn-0.24T (мас. %), исходное состояние а-фаза Cu—Sn 3.706
4 Бронза Cu-15.5Sn-0.24T (мас. %), образец от прутка 0 95 мм, состояние после горячей экструзии а-фаза Cu—Sn 3.705
*Данные получены методом рентгеновской дифрактометрии.
скими характеристиками, разработанным в последние годы, является Оспрей-метод [7, 8]. При получении Оспрей-бронзы расплав шихты с заданными концентрациями олова и меди распыляется в виде капель в потоке инертного газа, затем остывающие капли осаждаются на вращающуюся подложку, формируя в процессе осаждения бронзовую заготовку. Быстрое затвердевание металлических капель препятствует образованию макросегре-гаций, сохраняя микросегрегации [8]. Применение высокооловянистой (15.4 мас. % 8п) Оспрей-брон-зы в качестве матрицы многоволоконного композита позволило получить сверхпроводящие провода длиной до 8 км с /с до 200 А/мм2 в полях 18—20 Т при 4.2 К [9]. Кроме того, легирование титаном бронзовой матрицы, полученной Оспрей-мето-дом, привело к улучшению транспортных характеристик сверхпроводящих композитов по сравнению с характеристиками композитов, изготовленных с использованием стержней-вставок из сплава №—11 в ниобиевые волокна [10].
В задачу настоящего исследования входило изучение методами оптической и электронной микроскопии особенностей структуры высокооловяни-стых легированных титаном бронз, полученных Оспрей-методом, в исходном состоянии и после горячей экструзии. Предстояло выяснить, как использование Оспрей-метода влияет на структуру и распределение основных и легирующих компонентов по объему сплава и поведение данных бронз при горячей экструзии. Эти результаты сравниваются с полученными нами ранее данными на бронзах с 14 мас. % 8п, в том числе и легированных титаном, которые были изготовлены дуплекс-методом (сочетание индукционно-вакуумной и вакуумно-дуговой плавок) [11]. Следует отметить, что для бронз, изготовленных дуплекс-методом, требуется гомогенизирующий отжиг, необходимый для растворения крупных пластинчатых образований б-фазы, выделений интерметаллидов и оксидов на основе титана, существующих в исходном состоянии [11].
ЭКСПЕРИМЕНТ
В данной работе исследовались легированные титаном (0.24 мас. %) бронзы с повышенным содержанием олова (14.5 и 15.5 мас. %), полученные Оспрей-технологией (табл. 1). Металлографические исследования проводили на микроскопе МЕОРНОТ-32. Шлифы для металлографических исследований подвергали травлению в водном растворе азотной кислоты.
Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ выполнялись на сканирующих микроскопах-микроанализаторах Quan-1а-200 и 8ирегргоЪе-733. Съемку проводили в режимах вторичных и упруго-отраженных электронов, а также в рентгеновском излучении всех элементов исследуемых сплавов.
Тонкую структуру бронз изучали на просвет в электронном микроскопе JEM-200CX. Для этих исследований из массивных образцов на электроискровом станке вырезали пластинки толщиной ~0.9 мм, утоняли механически, а затем с помощью химической полировки в реактиве на основе смеси концентрированных азотной, серной и плавиковой кислот готовили фольги для просвечивающей электронной микроскопии.
Рентгенофазовый анализ проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. Погрешность расчета параметра решетки составляла ±5 х 10-4 А.
Измерение микротвердости исследуемых бронз производилось на поперечных шлифах микротвердомером ПМТ-3. Для всех образцов нагрузка при измерении была 50 г. Величину твердости Н рассчитывали по формуле
Н = 1854Р/С2,
где Р — нагрузка в г, С — диагональ отпечатка в мкм, Н — величина твердости в кГс/мм2, с последующим переводом единиц измерения в МПа. Каждое значение С определяли как среднее по 11 (или более) отпечаткам. Средняя квадратичная погрешность измерений не превышала ±0.25 мкм, вариации показаний прибора не превышали 1% средней диагонали отпечатка.
Рис. 1. Микроструктура бронзы Си—14.58п—0.2411 (мас. %) в исходном состоянии, сканирующая электронная микроскопия.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ
Оспрей-бронза Cu-14.5Sn-0.24Ti (мас. %)
Исходное состояние. Микроструктура бронзы Си—14.58п—0.2411 (мас. %) в исходном состоянии показана на рис. 1. При травлении сплава на поверхности шлифа образуется множество мелких ямок травления и границы зерен хорошо выявляются. Образование многочисленных ямок травления является следствием используемой технологии изготовления данной бронзы (Оспрей-метод), которой сопутствует повышенная пористость материала, поэтому на поверхности шлифа вытравливаются многочисленные поры [8]. Внутри некоторых ямок присутствуют мелкие (~1 мкм) округлые частицы. Как видно из рис. 1а, зерна имеют в основном равноосную форму и размеры 10—40 мкм. На границах зерен наблюдаются редкие крупные (5—7 мкм) и мелкие (от 300 нм до 1 мкм) выделения овальной формы. По характеру поверхности можно разделить зерна на два типа: зерна с относительно ровной гладкой поверхностью и зерна, поверхность которых имеет полосчатую структуру (см. рис. 1а). Скорее всего, полосчатый рельеф связан с двойникованием, что подтверждают данные просвечивающей электронной микроскопии, приведенные ниже.
Известно, что в литой бронзе при концентрации олова выше 6 мас. % образуется дендритная структура: дендриты обогащены медью, а междендритные прослойки — оловом. В области междендритных прослоек соседствуют а-твердый раствор и (а + 5)-эвтектоид, где а — это ГЦК-твердый раствор Си—8п, а 5 — соединение Си318п8 [12]. Ранее при изучении бронзы с повышенным содержанием олова (14 мас. % 8п), изготовленной плавкой дуплекс, на-
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.