Фазовый состав и микроструктура сплавов Mo-Si, полученных в условиях неравновесной кристаллизации

Полная исследовательская публикация Мансурова А.Н., Ларионов А.В., Тюшняков С.Н. и Маршук Л.А.

Размещено на http://www.allbest.ru/

98 ______ http://butlerov.com/ ______ ©--Butlerov Communications. 2015. Vol.43. No.9. P.97-101. (English Preprint)

Тематический раздел: Исследование новых материалов. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Кремний в металлургии. Регистрационный код публикации: 15-43-9-97

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2015. Т.43. №9. _________ 97

Фазовый состав и микроструктура сплавов Mo-Si, полученных в условиях неравновесной кристаллизации

Мансурова Анастасия Нургаяновна, Ларионов Алексей Валерьевич, Тюшняков Станислав Николаевич и Маршук Лариса Александровна

Лаборатория пирометаллургии цветных металлов. ФГБУН Институт металлургии, УрО РАН. Ул. Амундсена, 101. г. Екатеринбург, 620016. Свердловская область. Россия. Тел.: (343) 232-90-24. E-mail: a.v.larionov@ya.ru

При вакуум-дуговой выплавке сплавов Mo-Si из шихт Mo+(5-12)Si формируются силицидные фазы близкие к стехиометрическому составу. Плотность сплавов закономерно снижается по мере роста в них концентрации кремния. Величины микротвердости силицидных фаз в сплаве и чистых силицидов молибдена имеют близкие значения.

Ключевые слова: сплав Мо-Si, фазообразование, структура, силициды, микротвердость, плотность.

Сплавы Mo-Si перспективны для применения в высокотемпературнойтехнике[1]. Широко используются, например, материалы на основе MoSi2 [2], который наиболее резистентен к кислороду по сравнению с силицидами молибдена с меньшим содержанием кремния. Однако он имеет низкую вязкость разрушения и поэтому ограниченно может быть использован в изделиях конструкционного назначения.

Согласно фазовой диаграмме состояния [3] в системе Mo-Si существуют стабильные силициды Mo3Si, Mo5Si3MoSi2, параметры элементарных ячеек (ЭЯ) силицидов, температуры плавления и их плотность, заимствованные из литературы[4-6],приведены в табл. 1.

Эвтектикаб-Mo - Mo3Si характеризуется температурой плавления 2020 оС, образуется при содержании кремния 9.5 % масс. В качестве конструкционных материалов перспектив-ными считают сплавы Mo-Si эвтектического состава, из которых подобно сплавам Nb-Si [7-9] формируются естественные композиты. Это достигается путем легирования, например, бором [10]. Трудности получения двухфазных эвтектических сплавов Mo-Si, диктуют необходи-мость научной оценки использования для этой цели сплавов доэвтектического состава. Между тем, сведения о сплавах Mo-Si доэвтектического состава относятся в большей мере к фазовым равновесиям в области Mo-Si, богатой кремнием, а также свойств силицида Mo3Si[11].

Табл. 1. Значения параметров ЭЯ, плотности и микротвердости молибдена и его силицидов

* - HVN

силицид молибден неравновесный кристаллизация

Цель настоящей работы - подтвердить термодинамический выбор состава доэвтекти-ческого сплава Мо-Si [15] для последующего изучения условий использования его в качестве основы естественного композита, в том числе легированного редкоземельными элементами. Для достижения этой цели целесообразно было изучить, прежде всего, влияние малых кон-центраций кремния в сплавах Mo-Si на фазовый состав, структуру, плотность и микротвер-дость фаз, сформированных в условиях неравновесной кристаллизации.

Экспериментальная часть. Сплавы на основе систем Mo-Si получали дуговой плавкой прессованной шихты порошков металлов в печи 5SACentorr/VacuumIndustries (США) в атмосфере гелия на водоохлаждаемом медном поду с использованием нерасходуемого вольфрамового электрода. Для получения химически однород-ногометалла переплав слитков вели не менее 4 раз. В работе использовали высокочистые порошки металлов, % масс.: 99.900Mo и 99.999 Si. Фазовый состав сплавов был установлен рентгенофазовым анализом (РФА) на дифрактометрах XRD7000C и ДРОН-2.0. Расшифровка результатов РФА проведена по международной базе дифракционных данных ICDD 2012. Параметры элементарных ячеек соедине-ний рассчитаны методом наименьших квадратов по формулам, соответствующим для каждой синго-нии. Для расчетов использован программный пакет «Рентгеноструктурный табличный процессор» (RTP) [16] на основе имеющихся в рентгенографической базе данных карточек Mo [17], Mo3Si[18], Mo5Si3[19] и MoSi2[20].

Рентгеноспектральный микроанализ шлифованных образцов сплавов выполнен на растровом электронном микроскопе JSM-59000LV и энергодисперсионном рентгеновском спектрометре Oxford INCA Energy200. Для определения плотности образцов сплавов Mo-Si применен метод гидростатичес-кого (в ортоксилоле) взвешивания на аналитических весах ВЛР-200. Измерение микротвердости фаз проведено методом Виккерса на приборе MicroMet 5103.Использовалась алмазная пирамидка, которую вдавливали в шлифованную поверхность образца при нагрузке 50г. Время выдержки нагрузки равно 15с. Изображения структуры обработаны с использованием программы ThixometPro.

Результаты и их обсуждение. Для выявления составов шихт Mo+Si, обеспечивающих в условиях их дуговой плавки получения слитков с двухфазной структурой, были выплавлены образцы с массовым содержа-нием кремния от 5.6 до 12.4%. Фазовый анализ этих сплавов показал (рис. 1), что соотно-шение в них(Moss):силицид зависит от количества введенного в шихту кремния.

Согласно результатам рентгенофа-зового анализа сплав с содержанием 5.6 % масс. Si (рис. 1а) состоит из твердого раствора кремния в молибдене (Moss) и силицида Mo3Si, относительные интен-сивности максимального рефлекса кото-рых 94.0 и 93.0%, соответственно. С уве-личением содержания кремния в сплаве до 8.9 % масс. наблюдается заметное уменьшение рефлексов твердого раст-вора Моss. Относительная интенсивность максимального рефлекса Moss около 4.0% (рис. 1б). Образование твердого раствора Моss в образцах,содержащих 10.8 и 12.4 % (масс.) кремния, не зафик-сировано. При этом на дифрактограммах появляются рефлексы Mo5Si3 (рис. 1в, г).

_ - Mo3Si, ? - Moss, + - Mo5Si3

Рис. 1. Дифрактограммы сплавов Mo-Si с содержанием кремния, % масс.: а) - 5.6; б) - 8.9; в) - 10.8; г) - 12.4

По мере увеличения в сплаве со-держания кремния с 5.6 до 12.4 % масс. Si параметрa и объем элементарной ячейки V интерметаллида Mo3Si (табл. 2) уменьшаются: a - с 4.92(3) и до 4.88(8) Е; V - с 119.28(5) до 116.37(8) Е3. Твердый раствор Моss в образце сплава с содержания кремния 5.6 % масс. имеет параметры ЭЯ: a=3.22(9) Е; V=33.65(3) Е3. Величины параметров a, c и объема элементарной ячейки Vинтерметаллида Mo5Si3 в образцах сплавов с содержанием кремния 10.0 и 12.0 % (масс.), определены равными a = 9.62(3) Е, с = 4.90(9) Е, V= 454.59(1) Е3.

Табл. 2. Фазовый состав сплавов Mo-Si и значения параметров ЭЯ основных фаз, выплавленных вакуум-дуговым методом

Микроструктуры, состав и распределение фаз образцов сплава Mo-Si (рис. 2) в зави-симости от содержания кремния, были оценены рентгеноспектральным микроанализом.

Дендритная структура сплава с содержанием 5.6 % масс. Si (образец №1) эвтектического типа, представлена на рис. 2а. Она состоит из силицидаMo3Si темно-серого цвета и избы-точных кристаллов твердого раствора молибдена Moss различной формы размером 10х50 мкм. Увеличение содержания кремния в сплаве до 8.9 % масс. (рис. 2б) существенно изменяет микроструктуру сплава.

Основа сплава состоит из фазы Mo3Si. Количество избыточных дендритных кристаллов твердого раствора Moss размером от 10.0Ч50.0 и до 10.0Ч100.0 мкм значительно меньше. Содержание молибдена в твердом растворе Moss в образцах №№ 1 и 2 снижается с 97.9-98.5 до 96.3-97.1 % масс., а содержание кремния увеличивается с 1.5-1.9 до 2.2-2.3 % масс. Микро-структура образца №3 (10.8 % масс. Si) дисперсная, зернистая. Основа структуры пред-ставлена силицидами Mo3Si серого цвета (точка 1) и Mo5Si3. Зерна Mo5Si3 имеют округлую форму (точка 3) диаметром от 1.0 до 3.0 мкм и форму вытянутых включений Mo3Si, длиной 5.0-10.0 мкм и шириной около 0.8 мкм. Полосы темно-серого цвета (точка 2, рис. 2в) также соответствуют силициду Mo3Si, только с более высоким содержанием кислорода до 0.3 % масс. Дендритная структура образца №4 (рис. 2г) состоит из Mo3Si (основа - точка 1), боль-шого количества зерен Mo5Si3 темно-серого цвета (точка 2) размером от 10.0 до 25.0 мкм и мелких темно-серых включений размером от 1.0 до 3.0 мкм, представляющих собой, по-видимому, смесь Mo3Si-Mo5Si3 (точка 4).

а) б)

в) г)

Рис. 2. Микроструктура сплавов Mo-Si: а, б, в, г - образцы №1-4, соответственно (табл. 3)

Результаты измерения величин плотности сплавов и микротвердости (по Виккерсу) фаз исследуемых сплавов представлены в табл. 3. Полученные значения плотности сплавов и микротвердости фаз в целом согласуются с литературными сведениями, приведенными в табл. 1 и данными работы [13] по упрочняющему влиянию кремния на молибден. Как видно из табл. 3, при содержании в твердом растворе Moss 1.5-1.9 % (масс.) кремния его микро-твердость равна 519, при концентрации 2.2-2.3 % масс. Si она возрастает до 753.

Микротвердости силицидных фаз Mo3Si (1264-1348) и Mo5Si3 (1504-1574) близки к зна-чениям HV для аналогичных чистых силицидов молибдена.

Табл. 3. Результаты определения состава и микротвердости фаз сплавов Mo-Si

Соответствие результатов измерений и литературных данных по микротвердости Moss, Mo3Si и Mo5Si3 указывает на то, что при вакуум-дуговой выплавке сплавов Mo-Si из шихт Mo+Si формируются силицидные фазы близкие к стехиометрическому составу. Плотность сплавов закономерно снижается по мере роста в них концентрации кремния. Величины микротвердости силицидных фаз в сплаве и чистых силицидов молибдена имеют близкие значения.

Выводы

1. Определены условия вакуум-дуговой выплавки доэвтектическихсплавов Мо-Si, изучены микроструктура и фазовый состав сплавов,содержащих от 5.6 до 12.4 % масс., кремния. Полученные результаты сопоставлены с литературными данными о свойствах (плотность и микротвердость) сплавов Mo-Si.

2. При вакуум-дуговой выплавке с нерасходуемым вольфрамовым электродом можно полу-чать двухфазные сплавы Moss-Mo3Si при содержании в шихте Мо+Si не более 8.9 % масс. кремния.

Литература

1. Самсонов Г.В. Силициды и их использование в технике. Киев: Изд. АН УССР. 1959. 204с.

2. A.K. Vasudevan, J. Petrovic. A comparative overview of molibdeniumdisilicide composites. Mater. Sci and Engin. A155. 1992. P.1-17.

3. T.B. Massalski. Binary Alloy Phase Diagrams. 2nd edition, ASM International. Metals Park, Ohio. 1990.

4. Литовченко С.В., Петриченко А.П., Береснев В.М., Киперь И.Г., Витковский Е.А. Поведение композитов молибден-силицидное покрытие при механических и термических нагрузках. ФІП ФИП PSE. 2011. Т.9. №1. C.87-93.

5. S. Zhang, D. Zhao. Aerospace Materials Handbook. CRC Press: Taylor &Francies Group. 2013. P.253-254.

6. H. Chen, Q. Ma, X. Shao, J. Ma, C. Wang, B. Huang. Microstructure, mechanical properties and oxidation resistance of Mo5Si3-Al2O3 composite. Materials Science&Engineering. A. 2014. Vol.592. P.12-18.

7. Bewlay B.P., Jackson M.R., Zhao J.C., Subramaniam P.R. A review of very-high-temperature Nb -silicide-based composites. Metall. AndMater. Trans. 2003. oct. 34A. P.2043-2052.

8. Светлов И.Л. Высокотемпературные Nb-Si-композиты. Материаловедение. 2010. №9. C.29-38; 2010. №10. C.18-27.

9. Гращенко Д.В., Щетанов Б.В., Ефимочкин И.Ю. Развитие порошковой металлургии жаропрочных материалов. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №5 / http://www.viam.ru/public.

10. J.H. Schneibel, M.J. Kramer, D.S. Easton. A Mo-Si-B intermetallic alloy with a continuos a-Mo matrix. Scripta Materialia. 2002. No.43. P.217-221.

11. I. Rosales, J.H. Schneibel. Stoichiometry and mechanical properties of Mo3Si. Intermetallics. 2000. No.8. P.885-889.

12. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов: Справ. изд. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. 1987. 208с.

13. Норткотт Л. Механические свойства молибденовых сплавов. Молибден. М.: Изд. ИЛ. C.84-114.

14. A. Mistra, J.J. Petrovic, T.E. Mitchell. Microstructures and mechanical properties of a Mo3Si-Mo5Si3 composite. Scripta Materialia. 1999. Vol.40. No.2. P.191-196.

15. Ларионов А.В., Удоева Л.Ю., Чумарев В.М., Мансурова А.Н. Термодинамическое моделирование фазообразования в сплавах Mo-Si, легированных иттрием. Бутлеровские сообщения. 2015. Т.43. №9. C.84-88.

16. Аверцев К.И., Голубев А.В., Поляков М.А., Чеботарев Я.Н. Рентгеноструктурный табличный процессор. Версия 3.3а, ВНИИ неорганических материалов. М.

17. База порошковых стандартов - ICDDPDF2 (США, 2013). http://www.icdd.com/. №03-65-7442.

18. База порошковых стандартов - ICDDPDF2 (США, 2013). http://www.icdd.com/. №51-764.

19. База порошковых стандартов - ICDDPDF2 (США, 2013). http://www.icdd.com/. №01-79-4593; №03-65-2783.

20. База порошковых стандартов - ICDD PDF2 (США, 2013). http://www.icdd.com/. №00-17-0917.

Размещено на Allbest.ru