научная статья по теме ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ М/КВАЗИКРИСТАЛЛ AL-CU-FE Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ М/КВАЗИКРИСТАЛЛ AL-CU-FE»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 5, с. 53-58

_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ _

ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.715:538.911:539.89:536.42

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Äl/КВАЗИКРИСТАЛЛ Al-Cu-Fe

© 2004 г. В. В. Чердынцев*, С. Д. Калошкин*, И. А. Томилин*, Е. В. Шелехов*,

Ю. В. Балдохин**, Е. А. Афонина*

*Московский государственный институт стали и сплавов (МИСиС), 119049 Москва, Ленинский просп., 4 **Институт химической физики им. H.H. Семенова, 117334, Москва, ул. Косыгина, 4

Поступила в редакцию 11.08.2003 г.

Метод механической активации использовали для получения металломатричных композитов. В настоящей работе в качестве наполнителя использовали квазикристаллический порошок Al65Cu23Fe12, полученный механическим сплавлением компонентов с последующим отжигом. В качестве матричного материала использовали чистый порошковый Al. Для получения композита порошки матричного материала и наполнителя обрабатывали в планетарной шаровой мельнице в соотношениях Al-20 вес. % AlföCu23Fe12 и Al-10 вес. % AlföCu23Fe12. Фазовый состав исследовали методами рентгеноструктурного анализа и мессбауэровской спектроскопии. Показано, что нагрев композиционных образцов ведет к взаимодействию наполнителя и матрицы с образованием интерметаллических соединений. На шлифах компактированных образцов исследовали влияние условий обработки на микротвердость композиционных материалов. Показано, что увеличение как времени механоактивационной обработки, так и продолжительности выдержки под давлением при ком-пактировании ведет к росту микротвердости.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время механоактивация (МА) порошковых материалов широко применяется для получения композиционных металломатричных материалов [1-7]. Использование механоактива-ционных методов для получения композиционных материалов имеет ряд преимуществ перед обычно используемыми жидкофазными технологиями. Процесс смешения матричного материала и наполнителя при МА протекает в твердой фазе, что позволяет сохранить полезные свойства наполнителя в случае его термической неустойчивости. Значительный интерес также представляет возможность проводить контролируемые химические реакции, ведущие к образованию композиционных материалов, непосредственно в процессе МА [4, 5]. Кроме того, МА позволяет получать материалы с микро- и нанокристалли-ческой структурой [2, 4], которые характеризуются высоким уровнем физико-механических свойств.

В течение последних 15 лет квазикристаллические материалы являются объектом интенсивных исследований, что связано с необычными свойствами этих материалов, открывающими перспективу их практического применения (см., напр., [8-10]). Квазикристаллы, как правило, обладают высокой твердостью: 8-10 ГПа в зависимости от системы, а в тонких пленках до 14 ГПа, при комнатной температуре [11]. Величина твердости для А1-Си-Ре икосаэдрического квазикрис-

талла составляет почти 10% от величины модуля Юнга, что близко к этому показателю для алмаза и некоторых керамик.

Для квазикристаллов отмечаются высокие антифрикционные свойства, поскольку они одновременно очень твердые и имеют сверхнизкий коэффициент трения. Такой коэффициент трения обусловлен тем, что квазикристаллы имеют очень низкую поверхностную энергию (28 мДж/м2) [12]. Для сравнения самый скользкий фторопласт имеет поверхностную энергию - 18, монокристалл Al2O3 - 47, вода - 72 мДж/м2, чистые металлы - на один-два порядка выше.

Значительная хрупкость и, как следствие, низкая деформируемость, считаются основными недостатками квазикристаллов как материалов для практического применения в виде массивного изделия. Вместе с тем квазикристаллы представляются весьма перспективными для использования в композиционных материалах с металлической [13, 14] и полимерной [15-17] матрицей. Известны работы, в которых применяли МА для получения композиционных материалов с матрицей из чистого Al с квазикристаллами систем Al-Cu-Fe [18] и Al-Cu-Cr [19] в качестве наполнителей. Полученные результаты указывают на перспективность исследований в этом направлении.

Ранее нами были подробно исследованы фазовые превращения в сплавах системы Al-Cu-Fe при механическом сплавлении и последующих отжигах. Была показана возможность образования

(a)

500°C

3g Al7Cu2Fe ♦ Al2Cu

4J

□ □ □

400°C

t/V

u

□ □ □

Vrti

□ □ I

(6) □ □

□ □ □

□ □ □

ui^jaj

Исходный

L-J

»Квазикристаллическая фаза

Al

1*

40 60 80 100 120 26--

40 60 80 100 120 26--

Рис. 1. Дифрактограммы приготовленных механоактивацией композиционных материалов (а) Al + 10 вес. % квазикристалла и (б) Al + 20 вес. % квазикристалла.

примитивной икосаэдрической фазы непосредственно в результате механического сплавления [20], вместе с тем комбинирование механосплав-ления с последующим отжигом является более удобным способом получения однофазной квазикристаллической структуры [21-24]. Подробные

Параметры мессбауэровских спектров образца Al-10 вес. % квазикристалла: 8 - изомерный сдвиг относительно a-Fe; А - квадрупольное расщепление; Г - ширина линии спектра на полувысоте; S(k) - доля площади спектра, занятая данной компонентой. Ошибка в определении величин 8, А и Г составляет 0.001-0.004 мм/с

Температура нагрева, °C Компонента спектра 8, мм/с А, мм/с Г, мм/с S(k), %

Исходный дублет +0.218 0.392 0.334 100

200 дублет +0.213 0.396 0.342 100

300 дублет +0.209 0.394 0.352 100

400 дублет +0.209 0.381 0.351 100

500 дублет +0.206 0.402 0.351 53.2

синглет +0.164 - 0.352 46.8

исследования превращений при нагреве механос-плавленных образцов позволили установить основные закономерности трансформации фазовой структуры при образовании квазикристалла и разработать надежную методику получения порошкового квазикристаллического сплава с однофазной икосаэдрической квазикристаллической структурой.

Целью настоящей работы было получение композиционного материала А1/А1-Си-Ее квазикристалл путем совместной механактивации порошков в высокоэнергетической планетарной мельнице и изучение термической стабильности этого материала.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве исходных материалов для исследований использовали порошки алюминия, меди и железа чистотой 99.9% с размерами частиц менее 50 мкм. Для приготовления образцов использовали планетарную шаровую мельницу МПФ-1. Порошки в атомном соотношении А165Си23Ее12 без предварительного смешивания загружали вместе

Массовая доля фазы, %

Рис. 2. Зависимости фазового состава композиционных материалов (а) А1 + 10 вес. % квазикристалла и (б) А1 + 20 вес. % квазикристалла от температуры нагрева. Цифрами у кривых обозначены присутствующие в образцах фазы:

1 - А1; 2 - А165Си2зРе12 квазикристалл, 3 - А^С^Ре; 4 - А12Си; 5 - кубическая фаза типа А1Ре.

с мелющими шарами диаметром 9 мм в герметично закрывающиеся барабаны мельницы. Масса порошковой загрузки составляла 150 г, масса шаровой загрузки - 1500 г, объем барабанов - 1000 см3, скорость вращения водила составляла 600 об/мин. Перед обработкой барабаны заполнялись аргоном. Длительность обработки составляла 1 час.

Полученный в результате механического сплавления порошок отжигали в течение 1 ч при температуре 800°С в атмосфере Аг для получения однофазной квазикристаллической структуры. Приготовленный таким образом сплав обрабатывали в той же мельнице в течение 10 мин совместно с порошком чистого А1 в соотношениях А1-10 и 20 вес. % А165Си23Ре12 в атмосфере Аг. Нагрев образцов полученного таким образом композиционного материала проводили также в атмосфере Аг с помощью калориметрической установки ДСМ-2М. Скорость нагрева составляла 16 К/мин, после достижения требуемой температуры образец охлаждали со скоростью 64 К/мин без изотермической выдержки.

Поглощение, отн.ед.

Скорость, мм/с

Рис. 3. Мессбауэровские спектры исходного (а) и нагретых до температур 200 (б), 300 (в), 400 (г) и 500 (д) °С образцов композиционного материала А1 + 10 вес. % квазикристалла.

Рентгеноструктурный анализ образцов осуществляли на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3 на СоКа и СиКа-излучении. Количественный фазовый анализ проводили методом аппроксимации экспериментальной дифрактограммы модельным спектром. Мессбауэровскую спектроскопию проводили на источнике в Со57 в решетке Сг в режиме движения источника с постоянными ускорениями. Анализ мессбауэровских спектров проводился с помощью пакета программ "Когшов".

Компактирование механосплавленных образцов проводили методами холодного и горячего (до 600°С) прессования под давлением 4.5 ГПа с выдержкой под давлением от 10 с до 5 мин. Микротвердость определяли на шлифах компактиро-ванных образцов с помощью прибора ПМТ-3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Дифрактограммы полученных композиционных образцов приведены на рис. 1. Полученный в результате совместной механообработки образец

Вес. % фазы

Время, мин

Рис. 4. Зависимости фазового состава композиционных порошков (а) А1 + 20 вес. % квазикристаллической фазы и (б) А1 + 10 вес. % квазикристаллической фазы, нагретых до 500°С, от времени механообработки: 1 - квазикристаллическая фаза; 2 - фаза А17С^Ре.

композиционного материала представляет собой смесь двух фаз - чистого А1 и икосаэдрического квазикристалла А165Си23Ре12. Количественное соотношение этих фаз, как следует из рис. 2, близко к составу исходной шихты. Массовая доля квазикристаллической фазы в свежеприготовленных образцах составляет 21.4 и 10.1% при исходном содержании квазикристалла 20 и 10 вес. %.

Рис. 5. Зависимости микротвердости композиционного материала А1 + 10 вес. % квазикристаллической фазы от температуры компактирования: 1 - 10 мин МА; 2 - 30 мин МА; 3 - 60 мин МА.

Нагрев до 300°С не приводит к каким-либо изменениям дифракционных спектров композиционных образцов. На дифрактограммах образцов, нагретых до 400°С, видно появление небольшого количества кристаллической фазы Al7Cu2Fe (рис. 1), дальнейший нагрев приводит к росту дифракционных максимумов этой фазы, а также появлению незначительного количества других интер-металлидов. Появление этой фазы связано с химическим взаимодействием квазикристалла с Al матрицей, на что указыв

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»