Формування і розпад аномально пересичених твердих розчинів Al-Sс, Al-Zr та Al-Hf, отриманих швидким гартуванням з рідкого стану

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формування і розпад аномально пересичених твердих розчинів Al-Sс, Al-Zr та Al-Hf, отриманих швидким гартуванням з рідкого стану

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Швидкий розвиток науки і техніки вимагає створення великої кількості матеріалів з високими механічними і вдосконаленими фізико-хімічними властивостями. Одним з перспективних напрямків для конструювання нових матеріалів є формування структур з нанорозмірними елементами, які значно впливають на властивості сплавів.

Створення алюмінієвих сплавів з високою міцністю та жароміцністю передбачає отримання гетерогенної структури з великою об'ємною часткою частинок тугоплавких інтерметалідів, які не взаємодіють або мало взаємодіють з матрицею при підвищених температурах. Отримання такої структури можливе при старінні пересичених твердих розчинів перехідних металів в алюмінії. Сплави з ізоморфним типом розпаду дозволяють при високій об'ємній частці зміцнюючих частинок досягати високої міцності та пластичності. Одним з найперспективніших легуючих перехідних металів є Sc, оскільки Al-Sc сплави зміцнюються при старінні за рахунок утворення стабільної ізоморфної матриці Al₃Sc фази типу L1₂. В силу малої розчинності Sc та інших перехідних металів в алюмінії актуальним є отримання аномально пересиченого твердого розчину.

Швидка кристалізація як основа для створення матеріалів, які неможливо одержати традиційними технологіями, є предметом багатьох досліджень і знаходить все більше застосування в промисловості. Використання великих швидкостей охолодження при кристалізації алюмінієвих сплавів, легованих перехідними металами, відкриває можливості для створення легких жароміцних матеріалів за рахунок отримання підвищеної частки зміцнюючої високодисперсної фази в процесі старіння. Це визначається ступенем пересичення перехідними елементами твердого розчину при кристалізації.

Для отримання високої щільності виділень тугоплавких інтерметалідів актуальним є визначення умов утворення аномально пересичених твердих розчинів перехідних металів, вивчення кінетики і морфології виділення фаз, дослідження температурної стабільності одержаних структур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження, проведені в дисертаційній роботі, виконувались в рамках бюджетної теми відділу будови і властивостей твердих розчинів Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України: 022/03 «Дослідження стабільності гетерофазних систем, одержаних конденсацією з парової фази, інтенсивною механо-активаційною обробкою і швидким охолодженням».

Мета роботи. Встановити закономірності формування аномального пересичення в бінарних Al-Sc, Al-Zr і Al-Hf сплавах при швидкій кристалізації з рідкого стану, виявити механізми розпаду аномально пересичених твердих розчинів і визначити умови отримання високодисперсних структур з великою об'ємною часткою виділень зміцнюючої фази типу L1₂ та їх стабільності.

Для досягнення мети необхідно було розв'язати наступні завдання:

дослідити аномальне пересичення в бінарних алюмінієвих сплавах, легованих перехідними металами (Sc, Zr та Hf), в залежності від таких чинників як:

а) швидкість охолодження;

б) температура гартування розплаву;

в) природа і концентрація легуючих елементів (Sc, Zr та Hf);

вивчити кінетику і морфологію розпаду аномально пересичених твердих розчинів перехідних металів в швидкозагартованих алюмінієвих сплавах, що кристалізуються за типом твердих розчинів;

дослідити температурну стабільність і процеси еволюції «віялоподібних» структур в сплавах, що кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту.

Об'єкт дослідження: заевтектичні Al-Sc, заперитектичні Al-Zr і Al-Hf сплави, швидкозагартовані з рідкого стану.

Предмет дослідження: формування надпересичення в заевтектичних Al-Sc і заперитектичних Al-Zr, Al-Hf сплавах, механізми розпаду цих сплавів, морфологія виділень фази типу L1₂, температурна стабільність зміцнюючих фаз.

Методи дослідження: електронномікроскопічний, металографічний, рентгендифракційний, дюрометричний і резистометричний, метод вимірювання в'язкості розплавів.

Наукова новизна отриманих в роботі результатів полягає в тому, що:

вперше встановлено, що структури кооперативного росту («віялоподібні» структури) не є результатом перетворень в твердому стані, а утворюються з розплаву при кристалізації;

вперше показано, що початкові стадії розпаду аномально пересичених Al-Sc, Al-Zr і Al-Hf сплавів проходять з формуванням фази, впорядкованої за типом L1₂, яка є стабільною для Al-Sc і метастабільною для Al-Zr, Al-Hf сплавів;

вперше вивчено механізм еволюції метастабільної фази в структурах кооперативного росту в процесі високотемпературного старіння;

вперше визначено причини термічної нестабільності структур, утворених в процесі розпаду аномально пересичених твердих розчинів.

Практична цінність і реалізація результатів роботи. В роботі отримано результати, що описують закономірності формування аномально пересичених твердих розчинів в заевтектичних Al-Sc і заперитектичних Al-Zr, Al-Hf сплавах. Встановлено фізичні причини утворення структур кооперативного росту. Доведено, що такі структури не є результатом перетворень в твердому розчині. Визначено механізми розпаду аномально пересичених твердих розчинів Al-Sc, Al-Zr і Al-Hf, а також умови отримання високодисперсних структур з великою об'ємною часткою зміцнюючої фази типу L1₂ та їх стабільності.

Для створення нових жароміцних матеріалів на алюмінієвій основі показано перспективність використання, окрім Al₃Sc інтерметалідів, тугоплавких Al₃Zr і Al₃Hf інтерметалідів, утворених в процесі розпаду пересичених твердих розчинів в сплавах, швидкозагартованих з рідкого стану.

Встановлені в роботі закономірності можуть бути застосовані при створенні нових легких жароміцних матеріалів на алюмінієвій основі з використанням перспективних технологій, що забезпечують підвищені швидкості кристалізації (безперервне ливарство, отримання листів з рідкого стану, приготування лігатур при введенні тугоплавких елементів).

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались автором на конференціях:

1. Десята всеросійська наукова конференція студентів-фізиків і молодих вчених, ВНКСФ - 10, Росія, Москва, 1 - 7 квітня, 2004.

2. The 4-th International Conference on Materials Structure and Micromechanics of Fracture, MSMF - 4, Brno, Czech Republic, June 23-25, 2004.

3. European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes, EUROMAT 2004, Lausanne, Switzerland, September 6 - 9, 2004.

4. Конференція «Нанорозмірні системи: електронна, атомна будова і властивості», НАНСИС - 2004, Київ, Україна, 12 - 14 жовтня, 2004.

5. Міжнародна конференція «Современное материаловедение, достижения и проблемы», MMС - 2005, Київ, Україна, 26-30 вересня, 2005.

6. The 10-th International Multidisciplinary Conference Fractal 2006, «Complexity and Fractals in Nature», Vienna, Austria, February 26 - 30, 2006.

7. The 10-th International Conference on aluminum alloys ICAA 10, Vancouver, Canada, July 9 - 13, 2006.

8. International Scientific Conference EUTECTICA-VII, Dnipropetrovsk, Ukraine, September 26 - 29, 2006.

9. Київська конференція молодих вчених «Новейшие материалы и технологии», Київ, Україна, 16 - 17 листопада, 2006.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 робіт. Перелік публікацій подано в кінці автореферату.

Особистий внесок автора в одержання наукових результатів. Всі основні результати отримано особисто автором або при його участі. Дисертант приймав участь у розробці способів розв'язання завдань дослідження, проведенні експерименту, обробці та аналізі отриманих результатів, написанні статей та підготовці матеріалів конференцій. Дисертант брав участь у визначенні основних параметрів, що впливають на структуру і властивості швидкозагартованих алюмінієвих сплавів, а також у встановленні чинників, що дозволяють в цих сплавах збільшити об'ємну частку зміцнюючої фази, впорядкованої за типом L1₂. Автор брав безпосередню участь в дослідженні процесів старіння бінарних алюмінієвих сплавів, легованих Sc, Zr, Hf, і у визначенні умов отримання високої щільності високодисперсних виділень зміцнюючих інтерметалідів.

Обговорення результатів дослідження проводилось з участю д.ф.-м.н. Чуістова К.В. Досліджувані об'єкти було отримано методом спіннінгування в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова в Києві спільно з д.ф.-м.н. Носенко В.К. та в Університеті ім. Мартіна-Лютера в Германії спільно з Dr. Schmidt U. Електронномікроскопічні дослідження проводились з участю н.с. Котко А.В. Дослідження кінематичної в'язкості розплавів проводились спільно з співробітниками Фізико-технічного інституту Уральського відділення РАН д.ф.-м.н. Ладьяновим В.І., к.ф.-м.н. Бельтюковим А.Л. та к.т.н. Волковим В.А. Рентгендифракційні дослідження проведені з участю к.ф. - .м.н. Бударіної Н.М.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, основних результатів та висновків. Матеріал викладено на 145 сторінках, містить 48 рисунків, 16 таблиць, бібліографічний список із 138 найменувань.

Зміст роботи

алюмінієвий метал легований

У вступі обґрунтовано актуальність і важливість обраної теми дисертаційної роботи, сформульовано цілі і завдання досліджень.

В першому розділі дисертації представлено огляд літературних даних, який стосується загальних уявлень про основні закономірності швидкої кристалізації сплавів. Розглянуто загальні основи процесів розпаду пересичених твердих розчинів. Показано ефективність стабільної Al₃Sc фази типу L1₂, яка є модифікатором і зміцнює сплави. Максимально можлива об'ємна частка зміцнюючої фази в зістарених ливарних бінарних сплавах становить лише 0,5%. Зазначено здатність Zr і Hf в процесі старіння при певних умовах утворювати метастабільну фазу, ізоморфну Al₃Sc. Аналіз літературних даних, присвячених структурному і фазовому стану швидкозагартованих бінарних алюмінієвих сплавів, легованих перехідними металами, дозволив визначити матеріали, методи і завдання дослідження.

В другому розділі представлено матеріали і методи дослідження. Вибрано заевтектичні Al-Sc та заперитектичні Al-Zr, Al-Hf сплави з вмістом легуючого елементу до 1,3 ат.%, що на порядок перевищує граничну розчинність в алюмінії відповідно до рівноважної діаграми стану. Сплави було одержано методом спіннінгування на мідному гартівному диску з регульованою швидкістю обертання в захисній атмосфері гелию або азоту, швидкість охолодження становила 10⁵ - 10⁶ К/с. Швидкість охолодження 10² - 10³ К/с забезпечувалась за рахунок виливу розплаву на мідну плиту. Було вибрано дві температури гартування розплаву: 1000 ^оС, що вища температур ліквідусу всіх сплавів, та 1400 ^оС, яка вища температури плавлення Al₃Sc (1320 ^oC) і нижча температур плавлення Al₃Zr (1560 ^oC) і Al₃Hf (1590 ^oC) інтерметалідів. При проведенні досліджень використовувались электронномікроскопічний, металографічний, рентгенографічний, дюрометричний, резистометричний методи, а також метод вимірювання кінематичної в'язкості розплаву. Такий спектр методів дозволив забезпечити надійність і достовірність отриманих результатів.

В третьому розділі приведено результати досліджень структурного і фазового станів Al-Sc, Al-Zr та Al-Hf сплавів в залежності від швидкості охолодження, температури гартування розплаву, а також природи і концентрації легуючого елементу з метою визначення умов формування аномального пересичення алюмінію перехідними елементами.

Для заевтектичних Al-Sc сплавів досліджувався вплив швидкості охолодження і температури гартування розплаву на структурний стан сплавів. При кристалізації зі швидкістю охолодження 10² - 10³ К/с формується двофазний стан, і не вдається одержати надпересичення легуючим елементом твердого розчину. Структурний стан сплавів не чутливий до температури гартування розплаву. Зі збільшенням температури гартування до 1400 ^oС спостерігається лише підвищення пористості. Виявлено зміну мікроструктури по товщині зразка (3 - 5 мм), пов'язану зі зміною морфології кристалізації другої фази (рис. 1 а). В області, прилеглій до вільної сторони, формується структура, що містить - твердий розчин і первинні ограновані кубічні Al₃Sc частинки розмірами 15 - 20 мкм в центрі зерна (рис. 1 б). В області, що прилягає до контактної сторони сплаву, товщина якої змінюється в межах 1 - 1,5 мм, формуються структури кооперативного росту («віялоподібні» структури), які являють собою - твердий розчин і виділення стабільної Al₃Sc фази (рис. 1 в). Товщина гілок цих структур близько 0,2 - 0,5 мкм. На контактній і вільній сторонах, в поперечному і повздовжньому перерізах шліфа спостерігаються рівноосні зерна розміром 50 - 70 мкм.

При збільшенні швидкості охолодження до 10⁵ - 10⁶ К/с товщина об'єктів зменшується до 50 - 100 мкм. В повздовжньому перерізі структура твердіння характеризується наявністю голкоподібних зерен діаметром в перерізі 1 - 2 мкм (рис. 2 а). Встановлено, що в цьому випадку структурний стан сплавів залежить від температури гартування розплаву, зміна якої від 1400 ^оС до 1000 ^оС спричиняє зміну механізму кристалізації.

Дослідження Al-Sc, Al-Zr і Al-Hf сплавів, одержаних методом спіннінгування, показало, що незалежно від природи легуючого елементу при гартуванні розплаву від температури 1400 ^oС кристалізація сплавів проходить з пригніченням процесів розділової дифузії на фронті кристалізації, що спричиняє формування усередині зерен однофазного стану і, відповідно, аномально пересиченого твердого розчину. Слід зазначити, що в Al-Hf сплавах усередині зерен спостерігається кристалізаційна коміркова структура, розмір комірок складає 0,2 - 0,4 мкм.

При гартуванні розплаву від 1000 ^oС всі сплави кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту, товщина гілок яких близько 10 нм (рис. 2 б, в, г). Фазовий склад цих структур кооперативного росту визначається дифузійною рухливістю атомів легуючих елементів (D_Sc ~ 10² · D_Zr ~ 10⁴ · D_Hf). В Al-Sc і Al-Zr сплавах такі структури являють собою - твердий розчин і Al₃X (X = Sc, Zr) фазу, впорядковану за типом L1₂. У Al-Hf сплавах в процесі кристалізації формується однофазний стан, всередині комірок формуються структури кооперативного росту, які являють собою два твердих розчини, і гілки «віяла» є твердим розчином, збагаченим гафнієм (рис. 2 г).

При аналізі впливу концентрації легуючого елементу на структурний стан швидкозагартованих алюмінієвих сплавів визначено, що в Al-Sc сплавах збільшення концентрації Sc від 0,67 ат.% до 1,3 ат.% не викликає значних змін в структурі. В Al-Zr стрічках, загартованих від 1400 ^оС, при збільшенні концентрації Zr від 0,33 ат.% до 1,2 ат.% формується велика об'ємна частка нанокристалічної структури. Такий стан характеризується бімодальним розподілом за розмірами зерен: кристалізуються великі зерна розміром близько 1 мкм і дрібні зерна розміром 30 нм. При цьому значення мікротвердості складає 1300 МПа, що в 2 рази більше, ніж для Al-0,33aт.%Zr сплаву. Визначені рентгенографічно мікроспотворення кристалічної гратки , які пов'язані з появою дрібнозернистої фракції в матриці, зростають до 0,0064 і відповідають величині внутрішніх напруг 450 МПа, що в 3 - 5 разів більше, ніж для інших досліджуваних сплавів ( = 0,0011 0,0023).

При дослідженні природи структур кооперативного росту, на прикладі Al-Sc сплавів, встановлено кореляцію структурного стану з температурною зміною кінематичної в'язкості розплавів. Температура гартування розплаву 1000 ^оС відповідає області аномальної зміни в'язкості, виникнення якої може бути пов'язане з наявністю мікрогрупувань (кластерів), збагачених лугуючим елементом. З урахуванням структурної спадковості в умовах сильно нерівноважної кристалізації в залежності від температури гартування (з області аномальної зміни в'язкості або вище цієї області) утворюються різні структури кристалізації, що відповідають різним механізмам кристалізації.

З точки зору концепції фрактальних кластерів структури кооперативного росту, як нерегулярні структури, утворюються при асоціації частинок і мають характерну гіллястість. В Al-Zr і Al-Sc сплавах визначено два типи фрактальних кластерів: «вихрові» структури (рис. 2 б), які охоплюють декілька зерен, і «віялоподібні» структури в межах одного зерна (рис. 2 в). В Al-Hf сплавах виявлено лише «віялоподібні» структури, причому в одному зерні спостерігалося декілька таких структур (рис. 2 г). Проведено оцінку фрактальної розмірності D «віялоподібних» структур за зміною щільності частинок в кластері при віддаленні від його центру. Одержані фрактальні розмірності відповідають моделі асоціації частинка - кластер при броунівському русі частинок, відповідно до якої D_в 2,5.

Таким чином, вивчення морфології «віялоподібних» і «вихрових» структур доводить кристалізаційне походження цих структур. Вони ростуть безпосередньо з розплаву і не є результатом перетворень (комірковий розпад) в твердому стані. Формування границь зерен, що повторюють форму структур росту, також підтверджує їх кристалізаційну природу.

З метою визначення ступеня пересичення матриці легуючим металом в швидкозагартованих стрічках використовувався комплексний підхід, що грунтується на вивченні зміни електроопору (Т) при неперервному нагріванні сплавів та дослідженні структурного і фазового станів рентгенографічним та електронномікроскопічним методами. Значення концентрації легуючого елементу, що знаходиться в твердому розчині C_тв.р., та величина граничної розчинності легуючих елементів в алюмінії C_рівн., що відповідає рівноважній діаграмі стану, а також технологічні параметри отримання стрічок (температура гартування розплаву Т, швидкість обертання гартівного диску V_L) приведені табл. 1. У всіх досліджуваних сплавах, окрім заевтектичних Al-Sc стрічок, що кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту (1000 ^oС), в початковому стані в умовах швидкої кристалізації усередині зерен досягається надпересичення легуючим елементом твердого розчину. Показано, що окрім температури гартування та концентрації легуючого елементу на ступінь надпересичення впливає швидкість обертання гартівного диску V_L, що пов'язано з посткристалізаційними процесами.

В Al-Sc, Al-Zr сплавах, загартованих від 1400 ^оС з V_L = 30 м/с, окрім зерен, закристалізованих за типом твердого розчину, спостерігаються зерна, в яких пройшов неперервний розпад з виділенням другої фази Al₃X (X = Sc, Zr). В Al-Sc сплаві, загартованому від 1000 ^оС з V_L = 30 м/с, спостерігались «віялоподібні» структури, і в окремих областях відбувався неперервний розпад внаслідок перекристалізації за рахунок міграції границь зерен та розчинення «віялоподібних» структур (рис. 3). Таким чином, в залежності від умов швидкої кристалізації отримано структурні стани: 1) структури твердого розчину (однофазний стан); 2) структури кооперативного росту; 3) змішані структури, що утворюються при зменшенні V_L до 30 м/с.

В четвертому розділі приведено результати вивчення процесів розпаду в сплавах, отриманих методом спіннінгування. Вивчено стрічки, що характеризуються різним вихідним структурним станом: зразки 1, 3, 7, 9 мають структуру твердого розчину (однофазний стан); 2, 5, 8,10 - структури кооперативного росту; 4, 6 - змішану структуру (табл. 2). Визначено механізми розпаду, кінетику та морфологію фаз, що утворюються в процесі старіння.

Інтервали фазових перетворень ДT, температури максимумів перетворень T_m та енергії активації E_a, які оцінювали за співвідношенням T_m і ДT, визначали за зміною температурного коефіцієнту електроопору б_Т(Т) при неперервному нагріванні в інтервалі температур 20 - 600 ^оС. На відміну від сплавів, одержаних зливковою технологією при швидкості охолодження 60 К/с, швидкозагартовані сплави характеризуються значно більшим ДT, що свідчить про значну неоднорідність по концентрації в початковому стані.

Для всіх Al-Sc стрічок, окрім зразка 6, криві б_Т(Т) мають два мінімуми: низькотемпературний T_m1 і високотемпературний T_m2 (рис. 4), наявність яких вказує на різну рухливість легуючого елементу. Низькотемпературний мінімум характеризується низькою енергією активації E_a1, значення якої близьке до E_a міграції вакансій. Пересичення надлишковими вакансіями матриці при гартуванні сприяє утворенню комплексів вакансія - домішковий атом, що може спричиняти зменшення E_a дифузії. Для сплавів, закристалізованих за типом твердих розчинів, б_Т(Т) чутливе до збільшення концентрації Sc: початок інтервалу розпаду зміщується в область низьких температур, збільшується площа мінімумів, що пов'язано зі зростанням ступеня пересичення. Для сплавів, закристалізованих з утворенням «віялоподібних» структур, б_Т(Т) не чутливе до зміни концентрації Sc. При змішаному типі кристалізації (зразок 6), дублет на кривій б_Т(Т) розмивається в один широкий мінімум (рис. 4).

Для Al-Zr та Al-Hf сплавів криві б_Т(Т) мають один високотемпературний мінімум T_m2 та ДT, зміщений в область високих температур. Для Al-Hf сплавів ДT не залежить від початкового структурного стану.

Дослідження кінетики розпаду в процесі ізотермічного старіння в сплавах проводилось за зміною електроопору (Т). Аналіз (Т) за допомогою рівняння Аврамі показав, що при Т 350 ^оС стадії зародкоутворення та чистого росту не фіксуються, спостерігали стадію нестаціонарної коалесценції і стадію стаціонарної коалесценції.

Електронномікроскопічні дослідження показали, що незалежно від природи легуючих елементів (Sc, Zr, Hf) на початкових стадіях розпаду пересичених твердих розчинів утворюється зміцнююча Al₃X (X = Sc, Zr, Hf) фаза, впорядкована за типом L1₂. Частинки стабільної Al₃Sc фази створюють статичні спотворення в матриці внаслідок невідповідності параметрів граток. Al₃Zr і Al₃Hf фази є метастабільними та не створюють в матриці статичних спотворень. Встановлено, що механізм розпаду і морфологія виділення фаз залежать від вихідного стану сплаву і, відповідно, від умов його отримання.

Стрічки, що кристалізуються за типом твердих розчинів (гартування від 1400 ^oС), розпадаються за неперервним механізмом з утворенням хаотично розподілених частинок. Варіюючи температуру і час старіння, можна одержати високодисперсну структуру, що містить наночастинки Al₃X фази типу L1₂ розміром близько 2 нм і щільністю виділень 10¹⁸ см^-3.

З метою визначення термічної стабільності отриманих структурних станів досліджували морфологію розпаду при підвищених температурах старіння. Після старіння при 450 ^оС протягом 2 годин в Al-Sc сплавах спостерігаються когерентні Al₃Sc частинки, середній розмір d, щільність виділення H_v і об'ємна частка f_v яких приведені в табл. 3. При цьому спостерігається тенденція до розташування частинок на дислокаціях. В порівнянні з кінетикою росту частинок в сплавах, одержаних зливковою технологією (60 К/с), в швидкозагартованих сплавах відбувається сповільнення швидкості росту когерентних частинок на стадії коалесценції, що пов'язано зі збільшенням об'ємної частки виділень в 5 - 10 разів. Аналогічно частинкам у сплавах, загартованих з твердого стану, частинки в сплавах, швидкозагартованих з рідкого стану, втрачають когерентність при розмірах, близьких до 30 нм, за рахунок виникнення на міжфазній границі дислокацій невідповідності. Показано, що швидкість росту некогерентних частинок в швидкозагартованих сплавах значно вища, ніж в сплавах, одержаних за зливковою технологією.

В процесі старіння при 450 ^оС в Al-Zr сплавах частинки метастабільної Al₃Zr фази замінюються на композитні типу L1₂/DO₂₃. Усередині частинки метастабільної фази розміром 10 нм в напрямку <100> формується пластиноподібна стабільна фаза. Подальше старіння спричиняе повне розчинення метастабільної фази і утворення стабільної фази у вигляді стрижнів, довжина яких після 70 годин складає близько 80 нм.

В Al-Hf сплавах розпад пересиченого твердого розчину відбувається в основному всередині комірок кристалізаційного походження. В процесі неперервного розпаду при підвищених температурах старіння Т 450 ^оС окрім частинок метастабільної фази типу L1₂ формуються виділення у вигляді стрижнів стабільної фази типу DO₂₃ як в матриці, так і на границях комірок. Після старіння при 450 ^оС протягом 2 годин спостерігаються частинки стабільної фази розміром 20 - 70 нм.

Сплави, що кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту (гартування від 1000 ^оС), розпадаються за рахунок потовщення гілок структур росту і гомогенного утворення окремих сферичних високодисперсних виділень Al₃X (X = Sc, Zr, Hf) фази типу L1₂ між гілками. В процесі старіння відбувається подрібнення та руйнування «віялоподібних» структур. Причиною нестабільності цих структур є нестійкість Релея, яка пов'язана з дифузійним перенесенням маси під дією поверхневого натягу границі розділу, що характеризується різною кривиною. Еволюція структур росту приводить до формування хаотично розподілених частинок Al₃X (X = Sc, Zr, Hf) фази типу L1₂ з щільністю виділень 10¹⁵ см^-3 в Al-Sc, 10¹⁶ см^-3 в Al-Zr і 10¹⁷ см^-3 в Al-Hf сплавах. Подальша еволюція таких структур відбувається аналогічно сплавам, закристалізованим за типом твердих розчинів.

Зіставлення характеру структурних змін в процесі ізотермічного старіння зі змінами мікротвердості показало, що зміцнення і стабілізація твердості відбувається за рахунок формування Al₃X (X = Sc, Zr, Hf) фази типу L1₂ (рис. 5). Найбільш високоміцний стан досягається в сплавах, закристалізованих за типом твердих розчинів. Виявлено падіння H_м нижче початкового значення в процесі старіння Al-Sc сплавів при Т > 300 ^оС, а Al-Zr і Al-Hf стрічок - при Т > 350 ^оС. Термічно більш стабільними є сплави, що кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту. Встановлено, що причиною знеміцнення Al-Sc сплавів є втрата когерентності частинок і зростання зерен. У Al-Zr і Al-Hf сплавах знеміцнення обумовлене формуванням стабільної тетрагональної Al₃X (X = Zr, Hf) фази типу DO₂₃.

Стабільна фаза утворюється на границях зерен і стиках структур кооперативного росту. Виявлено, що механізм переходу метастабільної фази в стабільну відбувається за рахунок формування композитних частинок типу L1₂/DO₂₃.

Загальні висновки

1. При дослідженні швидкозагартованих бінарних алюмінієвих сплавів (Al-Sc, Al-Zr та Al-Hf) як з евтектичним, так і перитектичним типом кристалізації, встановлено, що при швидкості охолодження 10⁵ - 10⁶ К/с структурний та фазовий стани сплавів залежать від температури гартування розплаву. З підвищенням температури гартування розплаву до 1400 ^оС кристалізація сплавів проходить з пригніченням процесів розділової дифузії на фронті кристалізації і формуванням аномально пересичених твердих розчинів. Зі зниженням температури гартування до 1000 ^оС сплави кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту («віялоподібні» структури), максимальне пересичення досягається в Al-Hf сплавах, мінімальне - в Al-Sc сплавах. При швидкості охолодження 10² - 10³ К/с вплив температури гартування розплаву на структурний стан сплавів не виявлено.

2. Встановлено, що фазовий склад структур кооперативного росту визначається дифузійною рухливістю атомів легуючих елементів. В Al-Sc та Al-Zr сплавах структури кооперативного росту являють собою б-твердий розчин і Al₃X (X = Sc, Zr) фазу, впорядковану за типом L1₂. При цьому Al₃Sc фаза є стабільною, Al₃Zr фаза - метастабільною. В Al-Hf сплавах відбувається розшарування на два твердих розчини, «віялоподібна» структура являє собою збагачений гафнієм твердий розчин.

3. Зі збільшенням концентрації цирконія до 1.2 ат.% в Al-Zr сплавах, загартованих від температури 1400 ^оС, формується нанокристалічна структура з розміром зерен d 30 нм. При цьому в сплаві величина внутрішніх напруг досягає 420 МПа, значення мікротвердості - 1300 МПа.

4. Встановлено, що на початкових стадіях розпаду швидкозагартованих сплавів формується Al₃X (X = Sc, Zr, Hf) фаза, впорядкована за типом L1₂, яка є стабільною для Al-Sc і метастабільною для Al-Zr, Al-Hf сплавів. Сплави, закристалізовані за типом твердих розчинів, розпадаються за неперервним механізмом. Розпад в сплавах, які кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту, відбувається за рахунок потовщення гілок цих структур та розпаду за неперервним механізмом між гілками.

5. В сплавах, що кристалізуються з утворенням структур кооперативного росту, при старінні на стадії коалесценції відбувається руйнування цих структур, внаслідок нестабільності Релея, та формування хаотично розподілених високодисперсних частинок Al₃Х (X = Sc, Zr, Hf) фази типу L1₂.

6. Найбільш високоміцний стан досягається за рахунок формування великої об'ємної частки наночастинок тугоплавких інтерметалідів при старінні сплавів, закристалізованих за типом твердих розчинів. Термічно більш стабільними є структури кооперативного росту в Al-Hf сплавах.

7. Встановлено, що найменшою термічною стабільністю володіють Al-Sc сплави внаслідок високої дифузійної рухливості атомів Sc. Втрата міцності Al-Sc сплавів в процесі високотемпературного старіння визначається механізмами втрати когерентності зміцнюючої фази.

В Al-Zr та Al-Hf сплавах знеміцнення пов'язане з утворенням стабільної тетрагональної фази типу DO₂₃.

Стабільна фаза може зароджуватись як в матриці, так і всередині частинки метастабільної фази з формуванням композитних частинок типу L1₂/DO₂₃. В структурах кооперативного росту Al-Zr і Al-Hf сплавів утруднено формування композитних частинок.

Основні положення дисертації викладено в публікаціях

Березина А.Л., Чуистов К.В., Монастырская Т.А., Сегида Е.А., Шмидт У., Котко А.В., Ладьянов В.И., Бельтюков А.Л., Волков В.А. «Веерная» структура в быстрозакаленных Al-Sc сплавах // Металлофиз. Новейшие Технол. - 2003 - Т. 25, №12. - С. 1543-1551.

Березина А.Л., Сегида Е.А., Монастырская Т.А., Чуистов К.В., Носенко В.К., Шмидт У., Молебный О.А., Котко А.В. Фрактальные структуры в быстрозакаленных сплавах Al-Sc, Al-Zr и Al-Hf // Металлофиз. Новейшие Технол. - 2004 - Т. 26, №11. - С. 1509-1516.

Berezina A.L., Monastyrskaya T.A., Segida E.A., Chuistov K.V., Schmidt U., Kotko A.V., Ladyanov V.I., Beltyukov A.L., Volkov V.A. Phenomenon of the Anomalous Supersaturation in Al-Sc, Al-Mg-Sc Alloys Rapid Quenched from the Liquid State // Engineering Mechanics. - 2004. - V.11, N5. - Р. 393 - 397.

Berezina A.L., Segida E.A., Nosenko V.K., Schmidt U., Kotko A.V. The effect of aging processes on the structure and properties rapidly solidified Al-Sc, Al-Zr and Al-Hf alloys // Materials Science Forum. - 2006. - V. 519-521. - Р. 1815-1820.

Berezina A.L., Segida E.A., Nosenko V.K., Schmidt U., Kotko A.V. Eutectic-like structures in rapidly quenched Al-Sc, Al-Zr and Al-Hf alloys // Теория и практика металлургии. - 2006. - №4-5. - Р. 45 - 47.

Березина А.Л., Сегида Е.А., Носенко В.К., Шмидт У., Котко А.В. Старение быстрозакаленных Al-Zr сплавов // Металлофиз. Новейшие Технол. - 2006 - Т. 28, №11. - C. 1493-1508.

Березина А.Л., Сегида Е.А., Носенко В.К., Шмидт У., Котко А.В. Образование аномально пересыщенных твердых растворов переходных металлов в алюминии при быстрой кристаллизации // Металлофиз. Новейшие Технол. - 2006 - Т. 28, спец. выпуск. - C. 11 - 18.

Размещено на Allbest.ru