Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония

Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония

Исследованы технологические особенности получения литых композиционных материалов на основе циркония методом термической обработки объемноаморфизованных сплавов. Изучена их структура и механические свойства....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2009
Автори: Шумихин, В.С., Щерецкий, А.А., Лахненко, В.Л., Беспалый, А.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Назва видання:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76552
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония / В.С. Шумихин, А.А. Щерецкий, В.Л. Лахненко, А.А. Беспалый // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 901-909. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-76552
record_format dspace
spelling irk-123456789-765522015-11-02T17:32:09Z Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония Шумихин, В.С. Щерецкий, А.А. Лахненко, В.Л. Беспалый, А.А. Исследованы технологические особенности получения литых композиционных материалов на основе циркония методом термической обработки объемноаморфизованных сплавов. Изучена их структура и механические свойства. Досліджено технологічні особливості одержання литих композиційних матеріялів на основі цирконію методою термічного оброблення об’ємноаморфізованих стопів. Вивчено їх структуру та механічні властивості. The technological features of fabrication of cast zirconium-based composite materials by heat treatment of alloys amorphized in a bulk are investigated. Their structure and mechanical properties are studied. 2009 Article Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония / В.С. Шумихин, А.А. Щерецкий, В.Л. Лахненко, А.А. Беспалый // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 901-909. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 62.20.Qp,62.23.Pq,62.25.Mn,68.37.Hk,81.30.Fb,81.40.Ef,81.70.Pg http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76552 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Исследованы технологические особенности получения литых композиционных материалов на основе циркония методом термической обработки объемноаморфизованных сплавов. Изучена их структура и механические свойства.
format Article
author Шумихин, В.С.
Щерецкий, А.А.
Лахненко, В.Л.
Беспалый, А.А.
spellingShingle Шумихин, В.С.
Щерецкий, А.А.
Лахненко, В.Л.
Беспалый, А.А.
Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet Шумихин, В.С.
Щерецкий, А.А.
Лахненко, В.Л.
Беспалый, А.А.
author_sort Шумихин, В.С.
title Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
title_short Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
title_full Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
title_fullStr Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
title_full_unstemmed Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
title_sort литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2009
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76552
citation_txt Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония / В.С. Шумихин, А.А. Щерецкий, В.Л. Лахненко, А.А. Беспалый // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 901-909. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv AT šumihinvs lityekompozicionnyematerialysamorfnojmatricejnaosnovecirkoniâ
AT ŝereckijaa lityekompozicionnyematerialysamorfnojmatricejnaosnovecirkoniâ
AT lahnenkovl lityekompozicionnyematerialysamorfnojmatricejnaosnovecirkoniâ
AT bespalyjaa lityekompozicionnyematerialysamorfnojmatricejnaosnovecirkoniâ
first_indexed 2025-07-06T00:56:20Z
last_indexed 2025-07-06T00:56:20Z
_version_ 1836857038810906624
fulltext 901 PACS numbers: 62.20.Qp, 62.23.Pq, 62.25.Mn, 68.37.Hk, 81.30.Fb, 81.40.Ef, 81.70.Pg Литые композиционные материалы с аморфной матрицей на основе циркония В. С. Шумихин, А. А. Щерецкий, В. Л. Лахненко, А. А. Беспалый Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины бульв. Акад. Вернадского, 34/1, 03680, ГСП, Киев-142, Украина Исследованы технологические особенности получения литых композици- онных материалов на основе циркония методом термической обработки объемноаморфизованных сплавов. Изучена их структура и механические свойства. Досліджено технологічні особливості одержання литих композиційних ма- теріялів на основі цирконію методою термічного оброблення об’ємноаморфі- зованих стопів. Вивчено їх структуру та механічні властивості. The technological features of fabrication of cast zirconium-based composite materials by heat treatment of alloys amorphized in a bulk are investigated. Their structure and mechanical properties are studied. Ключевые слова: объемноаморфизованные сплавы, композиционные ма- териалы, цирконий, термическая обработка, механические свойства. (Получено 18 декабря 2007 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Развитие современной техники требует использования новых ли- тых металлических материалов с очень высокими физико- механическими и специальными свойствами. Для получения таких материалов необходимо создание принципиально новых процессов и технологий, которые позволяют формировать метастабильное со- стояние вещества, что и обеспечивает необходимый уровень свойств. К таким материалам и относятся литые композиционные материалы с аморфной матрицей. Известно, что композиционные материалы с аморфной матрицей Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 3, сс. 901—909 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 902 В. С. ШУМИХИН, А. А. ЩЕРЕЦКИЙ, В. Л. ЛАХНЕНКО, А. А. БЕСПАЛЫЙ возможно получить путем термообработки объемноаморфизован- ных сплавов [1]. Впервые сплавы, которые объемноаморфизуются при низких скоростях охлаждения (сто и меньше градусов за се- кунду), были получены в 1989 году [2]. Этот факт открыл перспек- тивы использования таких материалов в качестве конструкцион- ных. Получение изделий из таких сплавов принципиально возмож- но обычными литейными методами, а толщина аморфного слоя при этом может быть больше 10 мм. На сегодняшний день получено де- вять основных групп таких сплавов на основе меди, магния, цирко- ния, лантана, палладия, неодима, титана, железа и никеля. Меха- нические свойства этих сплавов очень высокие [3]. Для объемноаморфизованных сплавов температура кристалли- зации находится значительно выше температуры стеклования, по- этому можно говорить, что при нагревании они сначала переходят в псевдожидкое состояние, а потом кристаллизуются. При этом их вязкость резко возрастает, при дальнейшем нагревании они пере- ходят в жидкое состояние при температуре плавления. В районе температуры стеклования [4], сильно увеличивается диффузная подвижность атомов, что приводит к изменению физических свойств аморфных сплавов в зависимости от режимов термической обработки. Таким образом, управляя режимами термообработки аморфных сплавов, можно получить целую гамму материалов от наноструктурных до мелкокристаллических. В настоящее время эти работы находятся на стадии накопления эмпирических данных. Цель работы – разработка технологии получения композицион- ных материалов с аморфной матрицей на основе сплавов системы Zr—Cu—Ni—Al—Ti и изучению их физико-механических свойств. 2. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ В АМОРФНОМ СОСТОЯНИИ 1.1. Разработка режимов термовременной обработки расплава Для получения сплавов в аморфном состоянии при низких скоростях охлаждения особое значение имеет отсутствие первичных кристал- лов и других центров кристаллизации в расплаве в момент закалки. Термовременная обработка расплава непосредственно перед залив- кой позволяет гомогенизировать сплав и повысить термическую ус- тойчивость жидкого состояния за счет разрушения центров кристал- лизации. С другой стороны, продолжительная выдержка расплава при высокой температуре ведет к его взаимодействию с материалом тигля, что отрицательно сказывается на способности сплава к амор- физации, так как образуются высокотемпературные соединения, ко- торые могут служить центрами кристаллизации. Таким образом, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С АМОРФНОЙ МАТРИЦЕЙ НА ОСНОВЕ Zr 903 режимы термовременной обработки расплава при получении спла- вов в аморфном состоянии имеют определяющее значение. Разработка режимов термовременной обработки расплавов на ос- нове циркония проводили методом ДТА. В качестве критерия оцен- ки устойчивости жидкого состояния использовали температуру пе- реохлаждения расплавов при кристаллизации. Исследование про- водили в условиях аналогичных тем, при которых получали сплавы в аморфном состоянии (атмосфера, материал тигля). Базовый сплав выплавляли в индукционной вакуумной печи в атмосфере очищен- ного гелия в алундових тиглях. Образец сплава весом 0,1—0,2 г по- мещали в установку ДТА, многократно плавили и кристаллизова- ли, последовательно повышая температуру расплава и определяя величину переохлаждения. Время выдержки расплава при каждой температуре составляло 5 мин. Как видно из приведенных резуль- татов исследований (рис. 1), перегрев расплава на 100—150 К выше температуры ликвидуса, для большинства исследованных сплавов, приводит к повышению температуры переохлаждения, и соответ- ственно, устойчивости жидкого состояния, а более высокий пере- грев ведет к резкому ее снижению. Поэтому в дальнейших экспери- ментах оптимальным считался перегрев расплава не более чем на 150 К. Для установления временных параметров обработки расплава проводили модельные эксперименты по межфазовому взаимодей- ствию огнеупорных материалов с расплавами на основе циркония. Для этого в тиглях из SiО2 (кварц), Al2O3, Y2O3 плавили исследуе- 1273 1373 1473 1573 0 10 20 30 ΔT, Ê T, Ê 1 2 3 Рис. 1. Зависимость величины переохлаждения при кристаллизации от температуры перегрева расплава: 1 – Zr60Cu30Ni10 (TL = 1237 К); 2 – Zr57Cu28Ni10Al5 (TL = 1414 К); 3 – Zr59Cu30Ni10Ti1 (TL = 1191К). 904 В. С. ШУМИХИН, А. А. ЩЕРЕЦКИЙ, В. Л. ЛАХНЕНКО, А. А. БЕСПАЛЫЙ мый сплав массой 10 г и выдерживали при заданной температуре различное время (от 0 до 30 мин.). Опыты проводили в вакууме (Р = 8,7⋅10−4 Па) и в атмосфере очищенного гелия в интервале тем- ператур от 1273 до 1623 К. Температуру измеряли с помощью вольфрам-рениевой термопары ВР 5/20 и фиксировали потенцио- метром «SERVOGOR 460». Полученные образцы разрезали с помо- щью алмазного круга, готовили шлифы, которые изучали на опти- ческом микроскопе «EPIQUANT». Установлено, что выдержка расплава в течение 30 мин. при 1373 К в алундовом тигле не приводит к заметному взаимодейст- вию. На межфазовой границе не образуется переходная зона, как в вакууме, так и атмосфере гелия. Увеличение температуры до 1523 К и выдержка 30 мин в вакууме приводит к образованию на межфа- зовой границе переходной зоны, которая состоит из нескольких слоев. Это, очевидно, связано с тем, что при этой температуре начи- нает происходить интенсивное химическое взаимодействие – цир- коний восстанавливает алюминий в керамике. Аналогичная карти- на наблюдается и при температуре 1523 К, при этом переходная зо- на существенно увеличивается. При выдержке расплава на основе циркония в тиглях из кварца наблюдается аналогичная картина. Сравнительно низкие температуры 1273.К и 1373 К не приводят к заметным изменениям межфазовой границы твердое – жидкое. Высокая температура и вакуум ведут к значительному разрушению контактирующей поверхности жидким металлом. Установлено, что оксид иттрия не взаимодействует с расплавом на основе циркония до температуры 1523 К. После охлаждения расплава образец легко вынимается из тигля. При температуре 1623 К наблюдается образо- вание незначительной переходной зоны. Таким образом, плавку сплавов на основе циркония можно про- изводить в тиглях из оксида иттрия, а в качестве материала для кратковременного контакта с расплавом на основе циркония, в ча- стности, для металлопроводов, возможно использовать кварц. 1.2. Технологические режимы получения объемноаморфизованных сплавов Базовые сплавы системы Zr—Cu—Ni—Al—Ti получали с помощью двойного переплава. Сначала в индукционной вакуумной печи (Р = 1,3⋅10−4 Па) в тигле из оксида иттрия были предварительно пе- реплавлены исходные материалы (медь марки МO, катодный ни- кель и алюминий марки А99), далее в вакуумной дуговой печи вы- плавляли базовый сплав, геттером при этом служила смесь цирко- ния и титана. Для получения сплавов в аморфном состоянии была изготовлена специальная установка на основе вакуумной печи СШВЛ. Опытные КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С АМОРФНОЙ МАТРИЦЕЙ НА ОСНОВЕ Zr 905 образцы получали методом вакуумного всасывания. Технология аморфизации заключалась в следующем: предварительно выплав- ленные сплавы помещали в тигли из оксида иттрия и загружали в печь; вакуумировали (2⋅10−4 Па) и включали нагрев; при достиже- нии заданной температуры жидкий металл выдерживали в течение 10 минут. Температуру измеряли с помощью вольфрам—рениевой термопары (ВР 5/20) и поддерживали высокоточным регулятором ВРТ-3 с точ- ностью ±1 К. После этого в плавильную камеру напускали очищен- ный гелий и с помощью механизма опускания—поднимания металло- провод опускали в жидкий металл на заданную глубину. Контейнер, в котором находится медная форма, подключали к вакуумной системе, и за доли секунды расплав заполнял водоохла- ждаемый кокиль. Это позволило достичь скорости охлаждения около 103 К/с и обеспечило получение аморфной структуры в образ- цах диаметром до 3 мм. Структуру образцов контролировали рентгеноструктурным ме- тодом на анализаторе ДРОН-3Г, а также проводили дифференци- альный термический анализ (ДТА). По ДТА-кривым определяли температуру стеклования (Tg), температуру кристаллизации (Tx), теплоту кристаллизации ΔHx и объемную долю аморфной фазы. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕРЕХОДА СПЛАВОВ ИЗ АМОРФНОГО В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ Для отработки режимов термической обработки использовали ме- тод ДТА. Эксперименты проводили на образцах из аморфного спла- ва Zr62,9Cu17,7Ni9,7Al7,5Ti2,2, полученных по описанной выше техноло- гии. Образцы нагревали с различной скоростью и записывали ДТА- кривые. На рисунке 2 представлены ДТА-кривые, полученные при разной скорости нагрева. Если скорость нагрева образца относительно низ- кая (меньше 5 К/мин.), на кривой ДТА просматривается четыре пика, которые указывают на четыре структурных превращения с выделением тепла, соответствующих кристаллизации четырех фаз. Таким образом, кристаллизация исследуемого сплава происходит в несколько стадий и в определенном температурном интервале. На- грев образца с малой скоростью позволяет достаточно точно опреде- лить тепловые параметры процесса на каждой стадии кристаллиза- ции. С увеличением скорости нагрева наблюдается постепенное объединение соседних пиков, что затрудняет определение темпера- тур превращений и практически делает невозможным раздельное определение величин соответствующих тепловых эффектов. Увеличение скорости нагрева аморфных образцов в процессе кри- сталлизации приводит к смещению соответствующих пиков пре- 906 В. С. ШУМИХИН, А. А. ЩЕРЕЦКИЙ, В. Л. ЛАХНЕНКО, А. А. БЕСПАЛЫЙ вращений в сторону более высоких температур. Зависимость температур кристаллизации отдельных фаз от скоро- сти нагрева представлена на рис. 3. В исследуемом интервале скоро- стей эта зависимость близка к линейной и аналогична для всех четы- 5 Ê/ìèí. 10 Ê/ìèí. 20 Ê/ìèí. 30 Ê/ìèí. ÄÒÀ, ì Ò, Ê673 693 713 733 753 773 793 Рис. 2. Характерные ДТА-кривые кристаллизации аморфного образца сплава Zr62,9Cu17,7Ni9,7Al7,5Ti2,2. 783 773 763 753 743 733 723 713 703 693 683 0 5 10 15 20 25 4 3 2 1 T, Ê v, Ê/ìèí. Рис. 3. Влияние скорости нагрева на температуры фазовых переходов в сплаве Zr62,9Cu17,7Ni9,7Al7,5Ti2,2: 1, 2, 3, 4 – соответствующие фазовые пере- ходы. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С АМОРФНОЙ МАТРИЦЕЙ НА ОСНОВЕ Zr 907 рех стадий кристаллизации. Сохраняются приблизительно одинако- вые значения разницы температур между кристаллизацией различ- ных фаз. 3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С АМОРФНОЙ МАТРИЦЕЙ Исследования позволили разработать оптимальные технологиче- ские режимы получения композиционных материалов с аморфной матрицей на базе сплавов на основе циркония методом термической обработки аморфных сплавов. Термообработку проводили с помо- щью термоанализатора фирмы «SETARAM», при скоростях нагре- ва 20 К/мин в среде очищенного гелия. Время выдержки при за- данных температурах составляла 20 мин. Абсолютная погрешность измерения температур ±2 К. Сигналы от дифференциальной и из- мерительной термопар регистрировали с помощью многоканально- го потенциометра SERVOGOR 460, что давало возможность контро- лировать как температуру термообработки, так и возможность кри- сталлизации сплавов, а также обеспечило возможность термообра- ботки в интервале между различными стадиями кристаллизации. После проведения термообработки образцы с помощью алмазного круга при низких скоростях вращения и постоянном охлаждении водой разрезали на две части. Одну часть образца использовали для изучения структуры и физико-механических характеристик. На второй части образца проводили ДТА-исследования и определяли: степень кристаллизации фаз, как отношение разницы теплоты кристаллизации соответствующей фазы до и после термической об- работки к исходной теплоте; степень остаточной аморфности образ- ца, как отношение общей теплоты кристаллизации всех фаз до и после термообработки (рис. 4). 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОЛУЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Изучение структуры образцов после термической обработки по раз- ным режимам проводили на растровом электронном микроскопе- микроанализаторе SEM. SUPERPROBE-733 с увеличением 2000×10000 и рентгеноструктурном дифрактометре ДРОН-3М. Ис- следования показали, что образцы, которые подвергались термиче- ской обработке ниже температуры Тg + 30 К, имели аморфную структуру. На дифракционных кривых наблюдали два интенсив- ных гало, а характеристические пики для кристаллических соеди- нений отсутствовали. Увеличение температуры термообработки до Тg + 50 К приводит к появлению в структуре сплава небольшого ко- 908 В. С. ШУМИХИН, А. А. ЩЕРЕЦКИЙ, В. Л. ЛАХНЕНКО, А. А. БЕСПАЛЫЙ личества равномерно расположенных, чуть заметных при увеличе- нии 10000 включений, размер которых существенно меньше 1 мкм. При этом размер гало несколько уменьшился, и появились слабо- интенсивные характеристические пики фаз Zr2Ni и Zr2Cu. Поэтому можно допустить, что именно при этой температуре происходит процесс наноструктуризации. Проведение термической обработки в интервале температур ме- жду третьей и четвертой стадиями кристаллизации (Т = Тg + 70 К) позволяет получить композиционный материал, в котором присут- ствует большое количество равномерно распределенных, хорошо заметных при увеличении 5000 и более включений. Интенсивность пиков интерметаллических фаз Zr2Ni и Zr2Cu на дифракционных кривых увеличилась, и добавился характеристический пик α-Zr, размер гало существенно уменьшился. Несмотря на это матрица 693 703 713 723 733 743 753 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 X, % T, Ê Рис. 4. Влияние температуры нагрева аморфного сплава Zr62,9Cu17,7Ni9,7Al7,5Ti2,2 на количествоостаточной аморфнойфазы. ТАБЛИЦА. Механические свойства сплава Zr62,9Cu17,7Ni9,7Al7,5Ti2,2 после термообработки из аморфного состояния. Температура термообработки, К Твердость HV Прочность на разрыв, МПа 293 720 2304 523 710 2272 623 715 2288 683 765 2448 703 1013 3242 723 1240 3968 773 1101 3523 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С АМОРФНОЙ МАТРИЦЕЙ НА ОСНОВЕ Zr 909 материала остается аморфной, на что указывает дифференциально- термический анализ образцов после термической обработки: их степень аморфности около 40% (рис. 4). Вследствие небольшого размера полученных образцов, механи- ческие характеристики определяли по измерению микротвердости на твердомере ПМТ-3. Исследования показали, что термообработка аморфных сплавов в интервале температур Тg—Тх приводит к суще- ственному увеличению механических свойств материала (табл.). Сопоставление этих данных с результатами структурного анализа показывает, что микротвердость возрастает практически линейно с ростом доли кристаллической фазы. 5. ВЫВОДЫ 1. Проведен комплекс исследований и определены технологические параметры получения аморфных сплавов на основе системы Zr—Cu— Ni—Al—Ti при низких скоростях охлаждения. 2. Разработаны оптимальные технологические режимы получения композиционных материалов с аморфной матрицей на базе сплавов на основе циркония методом термической обработки аморфных сплавов. Показано, что переход из аморфного в кристаллическое состояние для сплава Zr62,9Cu17,7Ni9,7Al7,5Ti2,2 имеет диффузионный характер, что позволяет регулировать этот процесс путем измене- ния температурно-временных режимов и получать композицион- ные материалы с различным соотношением аморфной и кристалли- ческой фаз. 3. Изучена структура и механические свойства полученных мате- риалов. Установлено, что механические характеристики возраста- ют практически линейно с ростом доли кристаллической фазы в аморфной матрице. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. A. Inoue, Mater. Sci. Eng., A267: 171 (1999). 2. A. Inoue and T. Zhang, Mater. Trans. JIM, 30: 965 (1989). 3. A. Inoue, T. Zhang, W. Zhang, and K. Kurosaka, Acta mater., 49: 2645 (2001). 4. С. А. Бакай, И. М. Неклюдов, В. И. Савченко, Ю. Экерт, Вопросы атом- ной науки и техники, 79, № 2: 12 (2001).

Схожі ресурси