Композиционный сплав – метод СВТС

Композиционный сплав – метод СВТС

Статья:

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННО-СЛОЖНОГО СПЛАВА AlTiCrNiVZr МЕТОДОМ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА.

Ким Е.Д., Дорошенко К.В., Попова В.С., Ри Э.Х.

Аннотация

В этом исследовании был получен сложный по составу сплав AlTiCrNiVZr с высокой твердостью методом одностадийного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием TiO2, V2O3, Cr2O3, NiO, ZrO2 и Al в качестве исходных материалов. Экспериментальные результаты подтвердили образование двухфазного сплава с дендритными зернами твердого раствора ОЦК, армированными богатой Ti интерметаллической фазой. Эти результаты подтвердили, что реакция СВС является простым методом получения легкого сплава AlTiCrNiVZr с чрезвычайной твердостью.

Введение

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) и композиционно-сложные сплавы (КСС) представляют собой новые группы материалов, которые недавно были рассмотрены исследователями [1,2]. Высокая конфигурационная энтропия смешения в ВЭС и КСС обычно исключает образование промежуточных соединений в их микроструктуре. Вместо этого образуется сплав с одной фазой твердого раствора ГЦК или ОЦК или смесью твердых растворов ГЦК + ОЦК. Различный размер атомов в фазе твердого раствора приводит к большому искажению кристаллической структуры сплава, что может повысить его прочность, особенно при высоких температурах [3-5]. В результате этой особой структуры и микроструктуры ВЭС и КСС демонстрируют некоторые выдающиеся свойства, такие как высокая износостойкость, прочность при повышенных температурах (сопротивление ползучести), твердость и стойкость к окислению [6-8]

AlTiVCrNiZr – это КСС, впервые представленный Цю и др. [7] в 2017 году. Они приготовили сплав методом электродуговой плавки и показали, что была получена однофазная структура твердого раствора ОЦК. Полученный сплав имел низкую плотность 5,063 г/см3, что хорошо согласуется с теоретической плотностью 5,08 г/см3. Кроме того, этот сплав показал лучшую коррозионную стойкость в 0,6 М растворе NaCl, чем все нержавеющие стали, описанные в литературе [8]. Более того, твердость сплава была указана как 498 HV, что напоминает производство твердого коррозионно-стойкого КСС [6-8].

На основании знаний авторов, дуговая плавка является единственным процессом, который использовался для получения сплава AlTiCrNiVZr из чистых реагентов. Однако высокая стоимость чистых элементов увеличивает себестоимость производства сплава. В качестве альтернативы, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) или синтез горения (СГ) представляет собой процесс, который используется для получения керамических и интерметаллических соединений посредством высокоэкзотермических реакций [9,11].

В этом процессе локальное тепло используется для запуска реакции в уплотненной смеси реагентов. После начала реакции выделяющееся в ходе реакции тепло обеспечивает необходимую энергию для самоподдерживающейся реакции вдоль оставшегося компакта. Простота, применение оксидов в качестве недорогого сырья, низкое потребление энергии и высокая производительность являются основными преимуществами этого процесса для изготовления устойчивых сплавов и соединений. В этом процессе размер частиц реагента, давление уплотнения и добавление разбавителя являются некоторыми важными факторами, которые можно использовать для управления скоростью распространения реакции (vc) и температурой горения (Tc) [9 -11].

Однако, насколько известно авторам, в открытой литературе нет сообщений о разработке низкоплотного AlTiCrNiVZr КСС методом СВС. Более того, с научной точки зрения необходимо достичь глубокого понимания механизма образования ВЭС и КСС в ходе реакции СВС. Это поможет получить базовые знания о получении различных сплавов этим методом. Поэтому целями настоящей работы были синтез сплава AlTiVCr КСС методом СВС.

Материалы и методы исследования

Исходными веществами служили NiO (99,5 мас. %, ТУ 6-09-3642-74, ос. ч. 10-2), TiO2 (99,9 мас. %, TУ 6-09-2166-77, ч.), Cr2O3 (99,9 мас. %, ГОСТ 2912-79, ч. д. а.), V2O5 (99 мас. %, ТУ 6-09-4093-75, ч. д. а.), ZrO2 (99,9 мас. %, ТУ 6-09-4709-79, х. ч.) кальций фтористый CaF2 (98,0 мас. %, ТУ 2621-007-69886968-2015 с изм. 1), NaNO3 (ГОСТ 4168-79, х. ч.) и порошок алюминия ПА-4 (98,0 мас. %, ГОСТ 6058-73).

Исходные компоненты перемешивали в определённом стехиометрическом соотношении в течение 5 минут со скоростью 300 об/мин до однородного состава, засыпали полученную смесь в тигель. Синтез КСС проводили в графитовых тиглях. С учётом потерь при истирании в мельнице масса каждого образца составляла 63 ± 0,5 г. После воспламенения шихты по всему объёму смеси распределяется фронт горения. Далее, за фронтом горения, формируется слой расплава продуктов горения, который состоит из двух фаз: металла и шлака (Al2O3). Под действием гравитации, из-за разницы в удельном весе и их взаимной нерастворимости, происходит фазоразделение. Вследствие теплообмена расплав остывает и в завершении процесса кристаллизуется.

В результате реакции образуется двухслойный продукт: компактный металлический слиток в нижнем слое и оксидный шлак – в верхнем, которые легко отделяются друг от друга.

Анализ элементного состава полученных слитков проводили с использованием рентгено-флуоресцентного спектрометра Спектроскан МАКС-GV. Металлографический анализ структуры – на оптическом микроскопе MICRO 200.

Для исследования морфологии и элементного состава структурных составляющих сплавов использовались методы растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа на аналитическом исследовательском комплексе на базе FE-SEM Hitachi «SU-70» с приставками для элементного ЭДС анализа (Thermo Scientific Ultra Dry).

Определение микротвердости производилось методом Виккерса (HV) на микротвердомере Shimadzu «HMV-G21DT».

Результаты и обсуждение

После завершения процесса СВС в течение 31–38 с были получены в основном пористые и странно сформированные сплавы весом от 5,3 до 7,1 г. Это обычная структура, встречающаяся в нецентробежном процессе СВС из-за газовыделения. Поскольку масштаб нашего процесса СВС невелик, отклонения в выходе и продолжительности процесса приемлемы, и поэтому статистически значимая корреляция между Tad, выходом и продолжительностью не обнаружена. Состав сплава СВС приведены в таблице 1. Концентрация была довольно близка к ожидаемым значениям, хотя есть небольшие отклонения от теоретических значений. Следует отметить, что, хотя теоретические расчеты были выполнены с предположением об адиабатических условиях, тигли были неплотно запечатаны для сброса внутреннего давления. Это привело к неизбежным утечкам газа и рассеиванию частиц, что в свою очередь могло вызвать небольшие отклонения в составе и выходе.

На рис. 1 показаны результаты рентгенодифрактометрического анализа для AlTiVCrNiZr КСС после процесса СВС. Установлено, что в сплав состоит из ОЦК фазы.

Микрофотографии КСС AlTiVCrNiZr после процесса СВС приведены на рис.2. Сплав показал дендритную микроструктуру, состоящую из области ядра дендрита ОЦК (рисунок 2, б) с междендритной областью, содержащей богатые Cr включения (рисунок 2, б).

Относительно большая разница в параметрах решетки между этими двумя фазами ОЦК также подтверждает это довольно тонкое явление сегрегации, наблюдаемое в этом сплаве (рис. 2). Согласно значениям микротвердости, приведенным на рис. 2 увеличение содержания Al оказывало возрастающее влияние на микротвердость структурных составляющих.

а

б

Выводы этого исследования можно обобщить следующим образом:

-AlTiVCrNiZr композиционно-сложные сплавы могут быть успешно синтезированы с помощью экономичного и энергоэффективного нецентробежного самораспространяющегося метода высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием оксидного сырья и алюминия (Al) в качестве восстановителя. 2

-Рентгенофазовый и микрорентегспектральный анализы показали, что увеличение содержания Al увеличивает микротвёрдость ОЦК, с другой стороны, имеет тенденцию к сегрегации в междендритной области.

Сплавы AlTiVCrNiZr на основе ОЦК показали тонкую дендритную микроструктуру после кристаллизации, имеющую области, богатые Cr.

Благодарности

Исследования проводились в ЦКП «Прикладное материаловедение» ФГБОУ ВО «ТОГУ» при финансовой поддержке Министерства науки и образования Российской Федерации в рамках НИР № гос. рег. гос.з. АААА-А20-120021490002-1.

Список литературы

1. George E. P., Raabe D., Ritchie R. O. High-entropy alloys //Nature reviews materials. – 2019. – Т. 4. – №. 8. – С. 515-534.

2. Oh H. S. et al. Engineering atomic-level complexity in high-entropy and complex concentrated alloys //Nature communications. – 2019. – Т. 10. – №. 1. – С. 2090.

3. Jien-Wei Y. E. H. Recent progress in high entropy alloys //Ann. Chim. Sci. Mat. – 2006. – Т. 31. – №. 6. – С. 633-648.

4. Na S. M. et al. Thermomagnetic properties and magnetocaloric effect of FeCoNiCrAl-type high-entropy alloys //AIP Advances. – 2019. – Т. 9. – №. 3.

5. Park S. et al. Enhancement of hardness and yield strength induced by cu-rich phase and its effect at cryogenic temperature on gas tungsten arc welds of ferrous medium-entropy alloy //Metals and Materials International. – 2023. – Т. 29. – №. 8. – С. 2316-2330.

6. Qiu Y. et al. Corrosion characteristics of high entropy alloys //Materials science and technology. – 2015. – Т. 31. – №. 10. – С. 1235-1243.

7. Qiu Y. et al. A lightweight single-phase AlTiVCr compositionally complex alloy //Acta Materialia. – 2017. – Т. 123. – С. 115-124.

8. Qiu Y. et al. Microstructure and corrosion properties of the low-density single-phase compositionally complex alloy AlTiVCr //Corrosion Science. – 2018. – Т. 133. – С. 386-396.

9. Moore J. J., Feng H. J. Combustion synthesis of advanced materials: Part I. Reaction parameters //Progress in materials science. – 1995. – Т. 39. – №. 4-5. – С. 243-273.

10. Školáková A. et al. Formation of Ti-Al phases during SHS process //Acta Phys. Pol. A. – 2018. – Т. 134. – №. 3. – С. 743-747.

11. Mishra S. K., Gokuul V., Paswan S. Alumina-titanium diboride in situ composite by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) dynamic compaction: Effect of compaction pressure during synthesis //International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2014. – Т. 43. – С. 19-24.