Структура и свойства алюминия и его слаболегированных сплавов, получаемых сверхбыстрой закалкой из расплава Ташлыкова-Бушкевич, Ия Игоревна

Введение к работе

Актуальность темы диссетацни. Сверхбыстрая закалка из расплава (СБЗР) используется для производства материалов с характеристиками, лежащими вне области свойств, обычно наблюдаемых для сплавов, полученных традиционными способами литья. Промышленные БЗ металлургические материалы (скорость охлаждения расплава выше 10⁵ К/с) благодаря преимуществу улучшенных свойств имеют множество применений, в том числе в транспортной и аэрокосмической промышленностях. Поэтому метод СБЗР привлек в последние два десятилетня пристальное внимание ученых в первую очередь из Англии, Германии, США и др. развитых стран, разрабатывающих новые перспективные материалы. В связи с этим изучение сплавов, полученных СБЗР, следует рассматривать как приоритетное направление научных исследований в материаловедении.

В настоящее время имеется значительное количество публикаций по методам СБЗР металлов и сплавов. Однако предсказание или интерпретация микроструктур БЗ кристаллических сплавов алюминия затрудняются из-за экспериментальных сложностей в измерении и учете изменяющихся во времени скорости охлаждения, переохлаждения расплава и скорости затвердевания, которые во многом определяют окончательную микроструктуру БЗ сплавов, а, следовательно, и их свойства. Известно, что к настоящему времени по ряду технических причин в основном исследованы сплавы алюминия с концентрацией легирующих элементов от 5 ат % и выше. При этом изучение формирования микроструктур в областях, свободных от метастабильных фаз, механизмов кристаллизации при СБЗР, построение неравновесных фазовых диаграмм стимулирует исследования сплавов с малыми (< 5 ат %) концентрациями легирующих элементов. Изучение слаболегированных БЗ сплавов алюминия актуально также в связи с изучением процессов кристаллизации и фазооб-разования при модифицировании алюминиевых сплавов ионно-лучевыми методами, когда скорости закалки при остывании каскадов атомных столкновений выше, чем 10^б К/с, а достаточные

2 для моделирования свойств сплавов концентрации легирующих компонентов могут составлять несколько ат %. В данной работе исследуются структура, фазовый состав, физические свойства и термическая стабильность БЗ фолы алюминия и его сплавов с металлами (Me) и Ge при малых концентрациях легирующих элементов (скорость охлаждения расплава не ниже 10^б К/с), а также изучается обнаруженная зависимость механизма кристаллизации бинарных алюминиевых сплавов при СБЗР от типа легирующих элементов. Научные результаты исследований по теме диссертации имеют практическую ценность для народного хозяйства Республики Беларусь, поскольку материалы, получаемые СБЗР, используются в порошковой металлургии.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в Белорусском государственном университете в рамках программы "Разработка и исследование перспективных материалов" (Новые материалы-2) № ГР 19963448 (1996-2000 гг.), а также в рамках проекта "Разработка основ ионно-ассистированного осаждения покрытий в условиях саморадиации с целью модификации твердости, износостойкости и адгезии к эластомеру алюминия и его сплавов" № ГР 19981257 (1998-2000 гг.), получившего грант на конкурсе молодых ученых "НАУКА-97М" в Белорусском республиканском фонде фундаментальных и поисковых исследований и отнесенного к числу приоритетных. На основании полученных в данной диссертационной работе результатов в настоящее время выполняется проект "Модифицирование структуры и физико-механических свойств, механизмы затвердевания бинарных сплавов на основе А1 и Zn, получаемых сверхбыстрой закалкой из расплава" № 254/05 (2000-2002 гг.). получивший грант на конкурсе молодых ученых "НАУКА-99М" в Белорусском республиканском фонде фундаментальных и поисковых исследований.

Целью исследования являлось установление закономерностей и особенностей формирования структуры БЗ сплавов на основе А1 с легирующими элементами- металлами и полупроводником, а также получение новых знаний о механизмах кристал-

лизации, физических свойствах и термической стабильности бинарных алюминиевых сплавов при СБЗР.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Провести анализ формирования зеренной и дислокационной структуры БЗ бинарных алюминиевых сплавов, изучить формирование их текстуры.

Исследовать фазообразование в БЗ фольгах.

Выполнить элементный послойный анализ распределения легирующих элементов в сплавах, получаемых при СБЗР.

Определить влияние легирующих элементов на механизм кристаллизации расплава и механические свойства фольг.

Исследовать термическую стабильность БЗ фольг алюминиевых сплавов.

Объект н предмет исследования. В качестве объекта исследования выбраны БЗ фольги А1 с легирующими добавками металлами Fe, Си, Sb и с полупроводником Ge. Предметом исследования являются механизмы кристаллизации сплавов при СБЗР, структура, фазообразование, физические свойства и термостабильность фольг.

Методы проведенного исследования. Для изучения зеренной структуры БЗ сплавов использовался метод металлографического анализа. Фазовый анализ и исследование дислокационной структуры БЗ сплавов проводились методом ПЭМ. Фазовый состав сплавов Al-Cu и Al-Ge изучался дополнительно с применением рентгеновского структурного анализа. Методами POP ускоренных ионов гелия и компьютерного моделирования послойного распределения компонентов сплава с применением программы РАМП (RUMP) исследовалось распределение компонентов в объеме фольг. Для изучения физических свойств фольг применялись методы измерения дифференциальной тер-моЭДС, удельного электросопротивления и микротвердости. Термическая стабильность фольг исследовалась на основе изучения изменения физико-механических свойств при изохронном и изотермическом отжигах.

4 Научная новизна и значимость полученных результатов. В диссертационной работе впервые изучены механизмы кристаллизации низколегированных бинарных сплавов алюминия с легирующими элементами металлами и полупроводником *^! при скорости охлаждения расплава не ниже 10⁶ К/с. Результатами настоящей работы обеспечено дальнейшее развитие научных представлений о механизмах кристаллизации, а также структуре, включая исследование текстуры, фазовом составе, физических свойствах и термической стабильности БЗ бинарных сплавов AI при малых концентрациях легирующих элементов.

1. Впервые определено влияние легирующих элементов металлов и полупроводника на механизм кристаллизации расплава при СБЗР. С помощью металлографического анализа установлено, что структура фолы изменяется по толщине. Микроструктура поперечного сечения фольг сплавов Al-Ge иная, чем в сплавах Al-Cu, Al-Sb.

2. Получено, что в БЗ фольгах алюминия наблюдается текстура {111}. Установлено, что при легировании алюминия железом, медью, сурьмой и германием происходит ослабление текстуры {111}. Исследована плотность дислокаций в фольгах

, сплавов Al-Cu, Al-Sb и Al-Ge.

3. Впервые для послойного анализа распределения легирующих элементов в столбчатых структурах БЗ сплавов алюминия применен ядерно-физический метод POP ускоренных ионов гелия в совокупности с компьютерным моделированием (программа РАМП), что позволило детектировать компоненты сплавов усредненно по площади сечения анализирующего пучка в объеме столбчатого зерна. Экспериментально получены оригинальные результаты о неоднородном распределении легирующих элементов по всей исследуемой толщине фольг сплавов А1-Ме и Al-Ge.

4. Установлены механизмы кристаллизации БЗ А1 и сплавов А1-Ме и Al-Ge с малыми концентрациями легирующих элементов при скорости охлаждения расплава не ниже 10⁶ К/с. Предложена модель кристаллизации исследованных БЗ бинарных алюминиевых сплавов, объясняющая формирование столб-

5 чатой и равноосной микроструктур в изучаемых сплавах, а также неоднородное распределение легирующих элементов. Модель учитывает изменение переохлаждения расплава и скорости его затвердевания но толщине фолы.

5. Исследовано фазообразование в БЗ сплавах Al-Sb и А1-Ge. Впервые определено, что при концентрациях германия, начиная от 1.2 ат % и выше, в БЗ сплавах Al-Ge выделяются ранее неизвестные в данном концентрационном интервале две мета-стабильные фазы уі и 7г- Обнаружено выделение интерметал-лидного соединения AJSb в БЗ сплавах системы Al-Sb.

6. Установлено отсутствие рекристаллизационных процессов в фольгах алюминия во время нагрева и выдержки при температуре ниже 480 С. Для фольг сплавов Al-Fe, Al-Cu и Al-Ge получено, что при температурах отжига до 400 С рекристаллизация не происходит. Обнаружено, что при изотермическом отжиге БЗ сплавов Al-Fe (температуры отжига до 500 С) происходит перераспределение железа в изучаемом объеме, а именно снижение содержания железа на контактирующей с барабаном поверхности фольг.

Практическая значимость полученных результатов. Областью применения результатов данной работы является создание материалов с заданными структурой и свойствами для использования в порошковой металлургии в качестве полуфабрикатов для получения ультрадисперсных порошков, а также микроэлектронике, машиностроении.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Модель кристаллизации алюминия и его бинарных слаболегированных сплавов при скорости охлаждения расплава не ниже 10⁶ К/с, учитывающая изменение переохлаждения расплава и скорости его затвердевания по толщине фольг, в соответствии с которой в алюминии и его сплавах с металлами (медь, сурьма) затвердевание сопровождается ростом столбчатых кристаллов, тогда как в сплавах с германием формируются почти равноосные кристаллы. Модель объясняет изменение микроструктуры по

6 толщине фолы и закономерности распределения легирующих элементов в алюминиевых сплавах с железом, медью, сурьмой и германием, а именно их повышенную концентрацию в поверхностном слое толщиной 0,04-0.06 мкм и неоднородное распределение по толщине фолы.

2. Обнаружение в быстрозатвсрдевших бинарных сплавах
алюминия с германием метастабильных yi и уг-фаз в концентрат
ционном интервале германия от 1.2 ат % и выше и в сплавах
алюминия с сурьмой интерметаллидного соединения AlSb.

3. Установленные изменения структуры и фазового соста
ва изученных быстрозатвердевших сплавов при термообработке,
которые заключаются в перераспределении легирующего эле
мента в объеме сплавов AI-Fe при изотермическом отжиге до
500 С, выражающемся в уменьшении концентрации железа у
поверхности фолы и сохранении стабильности yi и угфаз в
сплавах Al-Ge при нагреве до температур, не превышающих
180 С и 300 С соответственно.

Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Все выводы и научные положения, изложенные в диссертации, принадлежат лично соискателю. Научный руководитель В. Г. Шепеле-вич сформулировал и поставил задачу исследований, оказывал методическую помощь при ее выполнении, участвовал в обсуждении результатов исследований. А.Г. Анисович (Физико-технический институт НАН Беларуси) и Л.А. Васильева (БГУ) оказывали методическую помощь в выполнении металлографических измерений, а также измерений, проводимых с применением ПЭМ. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Апробация результатов диссертации.

Результаты изложенных в диссертации исследований докладывались и обсуждались на следующих научных форумах и конференциях: I, II и III Международных конференциях "Взаимодействие излучений с твердым телом", Минск, Беларусь, (1995, 1997, 1999 г.); IV Республиканской студенческой научной конференции "Физика конденсированных сред", Гродно, Бела-

русь, (1996 г.); Internation Symposium Material Science Applications of Ion Beam Techniques, Зеехайм, Германия, (1996 г.); XXVI, XXVII, XXIX и XXX Международных конференциях "Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами", Москва, Россия, (1996, 1997, 1999, 2000 г.); XXXV Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", Новосибирск, Россия, (1997 г.); V, VI, VII и VIII Республиканской научной конференции студентов и аспирантов "Физика конденсированных сред", Гродно, Беларусь, (1997, 1998, 1999, 2000 г.); IV и VI Межгосударственного семинара "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий", Обнинск, Россия, (1997, 1999 г.); International Conference Ion Beam Analysis-14 (IBA-14), Дрезден, Германия (1999 г.).

Опубликовапность результатов. По материалам диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе 9 статей в журналах (из них 2- в зарубежных изданиях, 7- в журналах СНГ и РБ), 1 статья в сборнике материалов конференции и 17 тезисов докладов в материалах конференций (из них 2- в зарубежных изданиях). Автор выступал на 11 конференциях. Общее количество страниц опубликованных научных работ - 61, из них лично написано 57 страниц.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источников.

Объем диссертации составляет і 37 страниц, в том числе 89 страниц текста, 30 иллюстраций на 16 страницах, 12 таблиц на 12 страницах, 20 страниц списка использованных источников, включающего 260 наименований.