Фазовый состав и свойства равновесных и быстрозакаленных сплавов алюминия со скандием, цирконием и ниобием Толмачева, Наталья Юрьевна

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из наиболее актуальных задач неорганической химии является поиск и создание новых сплавов, обладающих комплексом ценных эксплуатационных свойств. Особый интерес представляют сплавы на основе алюминия с участием переходных металлов, образующих с ним ннтерметаллические соединения, являющиеся упрочнителями сплавов. Кроме того, легирование алюминиевых сплавов переходными металлами, характеризующимися высокой межатомной связью и низким коэффициентом диффузии в твердом алю минии. делает их перспективными для получения сверхжаропрочных и легких сплавов. Эффект повышения прочностных и заропрочностных характеристик алюминиевых сплавов при их легировании переходными металлами можно значительно усилить сочетанием с быстрой закалкой из жидкого состояния, которая приводит к расширению областей твердых растворов и диспергированию включений промежуточных фаз в сплавах алюминия с переходными металлами. Последующий распад пересыщенных твердых растворов по специально подобранному режиму приводит к выделению упрочняющих интерметаллидных Оаз в мелкодисперсном состоянии, вследствие чего существенно возрастают прочностные характеристики сплавов.

В настоящей работе в качестве легирующих добавок выбраны : скандий, цирконий и ниобий, позволяющие получить при быстрой кристаллизации пересыщенные твердые растворы в алюминии. Кроме того, легирование алюминия ниобием н Цирконием приводит к образованию химически прочных и тугоплавких интерметаллических соединений НЬА1₃ и ZrAl₃, которые способствуют увеличению прочностных характеристик сплавов. Скандий и цирконий, являющиеся эффективными модификаторами, выбраны с расчетом на улучшение морфологии упрочняющих фаз.

Научно обоснованные пути создания новых материалов основываются на изучении равновесных диаграмм состояния металлических систем, знании закономерностей образования и распада метастабильных фаз. образующихся при сверхбыстрой кристаллизации. Поэтому, установление характера физико-химического взаимодействия в сплавах алюминия с переходными металлами, синтезированных в равновесных и

неравновесных условиях, представляется перспективным и целесообразным.Все вышесказанное определяет актуальность настоящей работы, посвященной изучению взаимодейсвия А1 со Sc, Zr и Mb в равновесных и неравновесных услозиях.

Цель работы. Установить характер фазовых равновесий в тройных системах Al-llb-Zr. Al-t!b-Sc и четверной системе Al-Hb-Zr-Sc с последующим построением равновесных диаграмм состояния при 770 К в области, богатой алюминием; изучить процессы кристаллизации фаз в указанных выше сие темах в условиях равновесия с дальнейшим построением политермических сечений: установить закономерности изменения фазового состава сплавов на основе алюминия в системах Al-Nb-Zr. Al-Nb-Sc при скоростях охлаждения 10⁵"⁶К/с: изучить стадийность распада пересыщенных твердых растворов, а также установить влияние способа получения сплавов на их коррозионные свойства.

Научная новизна полученных результатов исследования заключается в следующем:

впервые комплексом методов физико-химического анализа установлены фазовые равновесия в трехкомпонентных системах Al-Nb-Zr, Al-Hb-Sc к четырехкомпонентной системе Al-Hb-Zr-Sc с последующим построением изотермических сечений указанных систем при 770 К в области, богатой алюминием:

впервые построены политермические разрезы мекду интерметаллическими соединениями (ИМС). находящимися в равновесии с алюминием в системах Al-tib-Zr. Al-fib-Sc, Al-Hb-Zr-Sc:

впервые построены лучевые политермические разрезы из алюминиевого угла с атомным соотношением компонентов Ub:Zr»3:l, Hb:Sc=3:l, что необходимо для оптимизации условий получения пересыщенных твердых растворов;

впервые установлены закономерности образования фаз и изменения фазового состава в зависимости от содержания легирующих компонентов в быстрозакаленных сплавах систем Al-Hb-Zr, Al-Nb-Sc. полученных методом спиннинго-вания ;

г впервые изучена стадийность распада и рассчитана эффек-

тивная энергия активации распада пересыщенных твердых растворов ниобия, циркония и скандия в алюминии, показана возможность повышения прочностных характеристик исследуемых сплавов за счет эффекта дисперсионного твердения: - впервые изучены коррозионные и электрохимические свойства равновесных и быстрозакаленных сплавов алюминия с ниобием, цирконием и скандием в 3%-ном растворе NaCl. Практическая значимость работы. Сведения о фазовых равновесиях в тройных системах Al-Nb-Zr, Al-Mb-Sc и четверной системе Al-Hb-Zr-Sc. а также данные о процессах кристаллизации в этих системах, полученные в настоящей работе, могут служить справочным материалом для исследователей, работающих в области материаловедения, а также руководством для направленного синтеза сплавов, обладающих определенным набором физико-химических свойств.

Полученные данные о характере физико-химического взаи модействия алюминия со скандием, цирконием и ниобием будут использованы в учебном курсе "Физико-химия неорганических материалов".

На зашиту выносятся следующие положения;

1. Строение диаграмм состояния тройных систем Al-Nb-Zr. AI-Nb-Sc в области от 30 до 100 ат.Х А1 при 770 К; четверной системы Al-Hb-Zr-Sc в области от 75 до 100 ат.Х А1 при 770 К.

2. Строение политермических разрезов между интерметаллическими соединениями, находящимися в равновесии с алюминием в тройных системых Al-Nb-Zr*и Al-Hb-Sc; лучевых политермических разрезов из алюминиевого угла с атомным соотношением компонентов (HbrZr. Nb:Sc)- 3:1; политермических сечений в четверной системе Al-Nb-Zr-Sc по разрезам HbAl₃-ZrAl₃+ 5 ат.Х Sc. ZrAl₃-ScAl₃ « 5 ат.Х Nb. HbAl₃-ScAl₃ 5 ат.Х Zr.

3. Фазовый состав быстрозакаленных сплавов систем Al-Nb-Zr. Al-Hb-Sc и закономерности его изменения в зависимости от содержания легирующих добавок.

4. Схемы распада и характер фазовых превращений в быстрозакаленных сплавах вышеуказанных тройных систем в

интервале температур от 470 К до 670 К. 5. Результаты исследования по влиянию способа получения и фазового состава сплавов алюминия со скандием, цирконием и ниобием на их коррозионные свойства. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Совещании по кристаллохимии неорганических и координационных соединений (Львов. 1992 г.). на II Международной конференции по композитам (Москва, 1994) по материалам диссертации опуб ликовано 5 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы. Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, включает 63 рисунка, 36 таблиц.