научная статья по теме ТВЕРДОФАЗНЫЕ РЕАКЦИИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ СПЛАВЛЕНИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ СОСТАВА FE32AL68 Физика

Текст научной статьи на тему «ТВЕРДОФАЗНЫЕ РЕАКЦИИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ СПЛАВЛЕНИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ СОСТАВА FE32AL68»

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.171:539.89:543.429.3

ТВЕРДОФАЗНЫЕ РЕАКЦИИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ СПЛАВЛЕНИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ СОСТАВА Fe32Al68

© 2012 г. Е. П. Елсуков*, А. Л. Ульянов*, А. В. Протасов*, Д. А. Колодкин**

*Физико-технический институт УрО РАН, 426000 Ижевск, ул. Кирова, 132 **Ижевский государственный технический университет, 426069 Ижевск, ул. Студенческая, 7

Поступила в редакцию 17.10.2011 г.

Методами рентгеновской дифракции, мессбауэровской спектроскопии и оже-спектрометрии изучена последовательность твердофазных реакций при механическом сплавлении смесей порошков Al и Fe в атомном соотношении 68 : 32. При формировании нанокристаллического состояния (<10 нм) осуществляется взаимное проникновение атомов Al в Fe и атомов Fe в Al. Скорость расходования ГЦК-Al существенно выше скорости расходования ОЦК-Fe. Обнаружен двухстадийный процесс МС. На первой стадии в ГЦК-Al растворяется до 2 ат. % Fe и формируется в интерфейсах аморфная фаза состава Fe25Al75 в количестве 70 ат. % при завершении начальной стадии. В интерфейсах a-Fe формируется разупорядоченная ОЦК-фаза состава Fe66Al34, в интерфейсах которой обнаружены сегрегации Al в количестве 12 ат. %. На второй стадии аморфная фаза кристаллизуется в орторомбический интерметаллид Fe2Al5. Остаточное a-Fe, ОЦК-Fe66Al34 и сегрегированный Al формируют ОЦК-фазу состава Fe35Al65.

Ключевые слова: алюминий, железо, механическое сплавление, твердофазные реакции, рентгеновская дифракция, мессбауэровская спектроскопия, оже-спектрометрия.

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени накоплен обширный фактический материал по поведению различных систем при механическом сплавлении и измельчении элементарных порошков в энергонапряженных измельчающих устройствах [1]. В металлических системах удалось получить целый спектр различных неравновесных состояний: сверхпересыщенные твердые растворы, аморфные, нано- и квазикристаллические фазы, неравновесные интерметаллиды [2]. С самого начала интерес исследовательских групп был направлен на изучение микроскопических механизмов механического сплавления (МС). Многочисленными экспериментальными исследованиями МС в металлических системах установлено, что интенсивное фазообразование при МС происходит при достижении наноструктурного состояния с размером зерна Ь < 10 нм (см., напр., [3, 4]). На основе экспериментальных данных было предложено более десяти моделей МС, основные идеи которых изложены в работе [2]. К сожалению, многие из них не могут объяснить всю наблюдаемую совокупность экспериментальных результатов, другие требуют дополнительных экспериментальных подтверждений. В работе [3] для МС железа с В, С, А1, 81, Ое и 8п предложена интерфейсная модель, согласно которой на начальной стадии МС формируются наноструктура и интерфейсы, включающие в себя границу и приграничные ис-

каженные зоны, с характерной шириной в 1 нм. При достижении размера зерна Ь < 10 нм атомы второго компонента проникают по границам зерен а-Бе и сегрегируют на них. Эти сегрегации являются источником для формирования первых фаз в интерфейсных областях. К аналогичному выводу пришли в работе [4] при изучении МС железа с 8п, Zr, Т1, №, Та, Мо и W с одним важным уточнением. Сегрегирование можно было предположить только для тех элементов (8п, Zr, Т1), предел текучести которых меньше, чем у Бе. В эксперименте это проявляется в медленном расходовании МЪ, Та, Мо и W при МС с Бе. Однако в настоящее время прямые экспериментальные данные о проникновении второго компонента по границам зерен базового элемента отсутствуют. Поэтому требуется проведение дальнейших исследований процессов МС.

В настоящей работе для исследования МС была выбрана богатая А1 бинарная смесь А1—Бе в атомном соотношении 68 : 32. Известно, что предел текучести стт(А1) = 22—30 МПа значительно меньше ат(Бе) = 170 МПа [5]. Представляло интерес выяснить, будет ли в соответствии с работой [4] осуществляться более быстрое расходование ГЦК-А1 по сравнению с ОЦК-Бе при МС несмотря на то, что содержание А1 в исходной смеси более чем в два раза превышает содержание Бе. Среди многочисленных опубликованных работ, посвященных изучению МС в системе А1—Бе с

содержанием Al в смеси больше 50 ат. %, в работах [6, 7] отмечался факт быстрого расходования Al. Однако, какие-либо количественные оценки, из которых можно было бы сделать выводы о сегре-гациях Al и местах их локализации, в [6, 7] сделаны не были.

Выбранный для исследования состав бинарной смеси попадает в интервал концентраций Al cAl = 65—75 ат. %, для которого в опубликованной литературе существуют противоречивые данные о протекании твердофазных реакций при МС. Полная аморфизация конечного продукта при МС наблюдалась в работах [8—11]. В [12, 13] была обнаружена частичная аморфизация (basically amorphous). Формирование ОЦК-пересыщенно-го твердого раствора при cAl < 70 ат. % и аморфной фазы при cAl > 70 ат. % было установлено в работе [14]. Образование ОЦК-структуры в качестве конечного продукта как при 66, так и при 75 ат. % Al продемонстрировано в работе [7]. Формирование интерметаллида Fe2Al5 было установлено при МС-смеси порошков Al и Fe в атомном соотношении 75 : 25 и смеси порошков интерметаллида FeAl с Al с общей концентрацией Al 75 ат. % [15, 16]. Наконец, в работе [17] было показано при МС- смеси с 75 ат. % Al формирование интерметаллида Fe2Al5 в качестве предшествующей стадии перед полной аморфизацией конечного продукта.

Целью настоящей работы было детальное изучение твердофазных реакций как на начальной, так и конечной стадиях МС-смеси порошков Al и Fe в атомном соотношении 68 : 32 для получения информации о микроскопических механизмах МС, связанных с низкотемпературными процессами массопереноса, типе и кинетике формирования фаз.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исходные смеси готовили из порошков Al марки ПАП-1 и Fe марки ОСЧ13-2. После просушки порошков содержание О и С по результатам химического анализа не превышала 1.5 и 0.1 ат. % соответственно.

МС проводили в шаровой планетарной мельнице Пульверизетте-7 в инертной среде Ar. Сосуд и шары были изготовлены из стали ШХ-15, содержащей 1.5 мас. % Cr и 1 мас. % С (остальное Fe). Масса загружаемого порошка для каждого времени механической обработки imil = 0.25—8 ч составляла 5 г. Температура сосуда при МС не превышала 60°С. Возможное загрязнение исследуемых образцов продуктами износа сосуда и шаров контролировалось измерениями массы сосуда, шаров и порошка до и после МС. Различие в массах порошков не превышало 0.03 г. Образец после МС в течение tmil = 2.5 ч (завершение начальной стадии фазообразования) отжигали в вакууме 10-2 Па при 500°С (1 ч).

Рентгеноструктурные исследования выполнены на дифрактометре ДРОН-3 в СиК"а-излучении. Съемку осуществляли в диапазоне углов 29 = 15— 110 с шагом 0.1 град и 29 = 70—87 с шагом 0.05 град. Рентгенофазовый анализ проводили с использованием пакета программ полнопрофильного анализа [18]. Для определения размера зерен применялся гармонический анализ Уоррена и Авербаха с аппроксимацией формы линии функцией Фойгта [19]. Мессбауэровские исследования проводили на спектрометрах ЯГРС-4М и SM2201DR в режиме постоянных ускорений с источниками резонансного у-излучения 57Со(Сг) и 57Со(КЬ) соответственно. Математическая обработка мессбауэровских спектров выполнялась в дискретном представлении методом наименьших квадратов с использованием алгоритма Левен-берга—Марквардта.

Исходный порошок А1 и образец на завершении начальной стадии МС были проанализированы на оже-спектрометре JAMP-10S. В режиме изображения вторичных электронов были получены снимки частиц порошка. Для образца после МС при ?тЦ = 2.5 ч было изучено распределение А1 и Бе по глубине частиц, используя травление ионами Аг с ускоряющим потенциалом 3 кВ.

Все измерения выполнены при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исходный порошок Бе состоял из частиц кам-невидной формы с размером от 10 до 300 мкм. Частицы исходного А1 имели чешуйчатую форму с размером от 10 до 100 мкм (рис. 1а). После МС при ?тЦ = 2.5 ч размер частиц образца находится в пределах от 1 до 10 мкм, форма частиц является камневидной (рис. 1б). Соотношение сигналов от А1 и Бе в оже-спектре этого образца остается постоянным как для поверхности частиц, так и после стравливания поверхностного слоя вплоть до 200 нм (рис. 2, кривые 1 и 2).

Рентгеновская дифракция

Данные рентгеновской дифракции для механически сплавленных образцов представлены на рис. 3 и 4, кривыми 1—6. В соответствии с наблюдаемыми изменениями в дифрактограммах весь диапазон используемых времен механической обработки можно разделить на два интервала т < 2.5 ч и 2.5 < т < 8 ч.

< 2.5 ч. С увеличением ?тЦ возрастает ширина рефлексов. Изменения в форме линий, указывающие на протекание процессов МС, обнаруживаются при ?тЦ > 0.5 ч (кривые 2—4). У основания рефлекса (110)Ре появляется вклад от рентге-ноаморфного гало, интенсивность рефлекса (111)А1 резко уменьшается с увеличением ?тй

Рис. 1. Изображение частиц порошка во вторичных электронах для системы Fe(32)Al(68): а — Al в исходном состоянии; б — после МС при tmn = = 2.5 ч.

вплоть до полного исчезновения при tmil = 2.5 ч (см. рис. 3). Рефлекс (211)Fe становится асимметричным и сдвигается в область меньших углов 20 (см. рис. 4). Математическая обработка дифрак-тограммы образца после МС при tmil = 0.25 ч, выполненная с учетом двух фаз ГЦК-Al и ОЦК-Fe, показала атомное соотношение 68 : 32 и параметры решеток, соответствующие чистым элементам. Время tmil = 0.25 ч является недостаточным для фазообразования. Для tmil = 0.5—2.5 ч при обработке необходимо учитывать наличие четырех фаз: ГЦК-Al, ОЦК-Fe, ОЦК(Fe-Al) и аморфная фаза Am(Fe-Al). Наличие аморфной фазы не позволяет получить достоверную информацию о количестве фаз из дифрактограмм. Тем не менее, с целью получения данных о параметрах решеток кристаллических фаз и расходовании Al по относительному изменению интенсивности рефлекса (111)Al, при математической обработке Am(Fe—Al)-фаза учитывалась с использованием фазы Fe2Al5 с размером зерна (~1 нм), обеспечивающим наилучшее описание э

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