CC BY
14
ОБЩАЯ ХИМИЯ
УДК 539.219.3
I ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ СЕЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ Ее-М-Т ПРИ 1273 К
Н.Л. Абрамычева, И.В. Вьюницкий, К.Б. Калмыков, С.Ф. Дунаев
(кафедра общей химии)
Методами элекгронно-зондового микроанализа, рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии исследовано взаимодействие элементов в переходных зонах диффузионных пар железоникелевый сплав + интерметаллид МТ1 (ТеТ) при 1273 К. Построено изотермическое сечение диаграммы состояния Ре-М-Ть Установлено, что между изоструктурными соединениями ЕеТ1 и МТ1 образуется непрерывный ряд твердых растворов. Фазы на основе соединений Ре2Т! и МЦТ! растворяют до 28 ат.% N1 и 17.5 ат.% Ее соответственно. Обнаружено два трехфазных равновесия МТ1-Те2Т1-М3Т1 и Ре2Т1-М3Т1^(Ре, М). Желез оникелевый твердый раствор содержит от 2 до 12,8 ат.% Т1 в зависимости от концентрации никеля.
Строение системы Fe-Ni-Ti исследовали ранее в работах [1-3]. Авторы работы [1] методами равновесных сплавов и диффузионных пар построили изотермическое сечение данной системы при 1173 К. Изоструктур-ные фазы TiNi и TiFe (ОЦК, тип CsCl) образуют непрерывный ряд твердых растворов, соединения Ni3Ti и Ti2Ni содержат до 12 и 30 ат.% Fe соответственно, а фаза Fe2Ti - 20 ат.% Ni. Данные об образовании непрерывного ряда твердых растворов между фазами TiNi и TiFe подтверждаются авторами работы [2], в которой исследовали политермический разрез FeTi-NiTi в интервале температур 1373-1873 К. Жидкая фаза появляется в системе при 1543 К. В работе [3] приведены политермические сечения системы Fe-Ni-Ti при соотношениях Fe/Ni = 3/1, Fe/Ni = 1/1, Fe/Ni = 1/3 построенные в интервале температур 773- 1523 К и концентраций 50-100 ат.% Ti.
Как видно, строение данной системы при температурах выше 1173 К и концентрации титана менее 50 ат.% изучено недостаточно. Поэтому целью данной работы явилось исследование твердофазного взаимодействия элементов в системе Fe-Ni-Ti при температуре 1273 К.
Методика эксперимента
Строение системы Fe-Ni-Ti исследовали двумя методами: методом равновесных сплавов и методом диффузионных пар. В качестве исходных материалов использовали Ti (иодидный), Ni (электролитический), Fе (карбонильное). Сплавы на основе двойных систем Fe-Ti, Fe-Ni и Ni-Ti, а также тройные сплавы систе-
мы Бе-Ш-Т получали в дуговой печи «ЬЛУБОЬБ НЕКЛиЕБ» с не расходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере очищенного аргона. Сплавы заворачивали в ниобиевую фольгу и гомогенизировали при 1273 К (150 ч) в вакуумированных кварцевых ампулах в печах электросопротивления. Точность поддержания температуры контролировали прибором «РИФ-101М» (+/-1°), степень вакуума, измеренная с помощью прибора «ВИТ-2», составляла не менее 510 Па. Составы сплавов и их гомогенность контролировали методом электронно-зондового микроанализа на приборе «САМЕВАХ-тетоЬеат». Стандартная ошибка при определении состава образцов составляла ±2 отн.%.
Диффузионные пары готовили следующим образом: из слитка сплава или металла вырезали пластинки размером 3x8x8 мм, которые шлифовали на шкурках различной зернистости, затем пластинки сваривали методом диффузионной сварки в вакууме на установке ДСВУ при 7=1273 К и давлении 19.6 МПа. Полученные пары отжигали по методике, описанной выше, в течение разных отрезков времени. Типы образцов приведены в табл. 1.
Распределение элементов в диффузионных зонах исследовали методом электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) на приборе «САМЕВАХ-шсгоЬеат» при ускоряющем напряжении 15 кВ. В качестве характеристических были выбраны следующие линии: Ка-Ре, Кд-Т{, Ка-№. Фазовый состав тройных сплавов определяли методом рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре «8ТАБ1-Р» (Йое).
Взаимодействие элементов в системе Ее-М-Т
При исследовании строения равновесных диаграмм состояния кинетическими методами возникает опасность образования в переходных зонах метастабильных равновесий, поэтому в данной работе для предотвращения подобных эффектов меняли граничные условия эксперимента, т.е. использовали пересекающиеся пути.
ЭЗМА образцов 1 и 2 (табл. 1) показал, что в диффузионных зонах образуется следующая последовательность фаз: N1X1, N13X1, Ре2Т1, N13X1 и у-(№,Ре) твердый раствор (рис. 1а). На рис. 16 показан диффузионный путь в системе Ре-№-Т1, построенный на основании распределения элементов в переходной зоне образца 1. Такая форма диффузионного пути указывает на существование в системе двух трехфазных равновесий №Т1-№3Т1-Ре2Т1 и Ре2Т1-№3Т1-у.
В диффузионной зоне образца 3, состоящего из сплава Ре№ (29.3 ат.% N1) и ШТ1 (50.4 ат.% Т1), образуется обширная область твердого раствора на основе Р'-фазы. Диффузионный путь проходит из Р'-фазы на соединение Ре2Т1, а затем переходит на у-твердый раствор на основе железа (рис. 1е).
При взаимодействии железоникелевого сплава (78.3 ат.% N1) с тройным сплавом на основе фазы Р' (образец 4, табл. 1) диффузионный путь проходит сначала по фазе N1X1, затем переходит в двухфазную область №Т1+Ре2Х1, далее на соединение №3Т1 и на у-твердый раствор (рис. 1г).
В зоне соединения образца на основе Ре-№ сплава (78.3 ат% №)и двухфазного сплава РеХ1 (54 ат%Х1)+Р-Х1 (79.7 ат%Х1), составляющих диффузион-
Т а б л и ц а 1
Составы диффузионных пар
Номер сплава Состав 1, ат.%. Состав 2, ат. %.
Ре N1 Т1 Ре N1 Т1
1 59.3 40.7 49.6 50.4
2 50.9 49.1 49.6 50.4
3 70.7 29.3 49.6 50.4
4 21.7 78.3 27.2 23.1 49.7
5 21.7 78.3 43.5* 56.5*
6 31.8 68.2 43.5* 56.5*
* Указан состав по шихте двухфазного сплава
ную пару 5 (табл. 1), диффузионный путь начинается в двухфазной области Х1Ре+Р-Х1, затем попадает в двухфазную область Х1Ре+Х12№, из которой переходит на Р'-Х1Ре, после чего проходит по фазе Х1Ре2, далее переходит на ТШ13, а затем на у-твердый раствор (рис.1 д). На границе двухфазных областей Т1Ре+Р-Х1 и Х1Ре+Х12№ образуется трехфазный слой на основе соединений Т1Ре, Р-Х1 и Х12№. Микроструктуры сплава Х1Ре+Р-Т1 и трехфазного слоя показаны на рис. 2.
Диффузионный путь, построенный на основании распределения элементов в переходной зоне образца 6 (табл. 1), представлен на рис.1 е.
Составы конод в двухфазных областях системы Ре-№-Х1, полученные при исследовании строения переходных зон всех диффузионных пар, приведены в табл. 2.
Для уточнения положения трехфазных областей Ре2Т1-№3Т1-у, Ре2Т1-№3Т1-Р, а также для определения границ двухфазной области у-Ре2Т1 был применен метод равновесных сплавов. Составы двухфазных сплавов из области у-Ре2Т1, полученные методом ЭЗМА, приведены в табл. 2, а состав фаз трехфазных сплавов - в табл. 3. Данные рентгенофазового анализа кристаллической структуры сплавов полностью подтверждают результаты электронно-зондового микроанализа.
В результате всех проведенных исследований было построено изотермическое сечение диаграммы состояния Ре-№-Т1 при 1273° (рис. 3). Твердый раствор на основе у-№ содержит до 11 ат.% Т1, при добавлении к нему железа концентрация растворенного титана падает до 6 ат.% (при СРе=20 ат.%), затем повышается до 12.8 ат.% (при СРе= 55 ат.%), после чего резко падает до 2 ат.% (в у-Ре). Между изоструктурными соединениями РеХ1 и N1X1 образуется непрерывный ряд твердых растворов. Фазы на основе соединений Ре2Т1 и №3Т1 располагаются практически параллельно стороне Ре-№ и растворяют до 28 ат.% N1 и 17.5 ат.% Ре соответственно. Такое строение системы в интервале концентраций 0-50 ат.% Т1 хорошо совпадает с данными работы [1]. Однако в области 50-100 ат.% Т1 наблюдаются некоторые разногласия между данными работ [1] и [3], а также результатами, полученными в настоящем исследовании.
В работе [1] фаза на основе соединения Х12№ при 1173 К расположена параллельно стороне Ре-№ и растворяет до 28 ат.% Ре. Авторы работы [3] указывают на меньшую область гомогенности этого соединения и на политермическом разрезе при соотношении Ре/№=1/1 фаза Т12№ отсутствует.
у
<1
6
/"ПРе V6"
\ ат. & Т1
чЧ10
N¡371 У\ 1д
/ \10
Рис. 1. Распределение элементов в переходной зоне образца Ре59.3№40.7+№Т1 (а), диффузионные пути в системе Ре-№-Тк б - Ре59.3№40.7+№Т1; в - Ре70.7№29.3+№Т1; г - Ре21.7№78.3+Ре27.2№23.Ш49.7; д -Ре21.7№78.3+Ре43.5Т156.5;
е - Ре31.8№68.2+Ре43.5Т156.5
Т а б л и ц а 2
Состав конод в системе Ее-М-Т
Состав фазы 1, ат% Состав фазы 2, ат%
Фазовая область
Бе N1 Т1 Бе N1 Т1
37.1 15.5 48.4 48.5 14.9 36.6
Р' - Бе2Т1 21.0 35.9 43.1 40.7 23.3 36.0
16.2 41.1 42.7 39.5 27.3 33.3
14.7 42.5 42.8 7.2 67.1 25.7
Р' - №зТ1 10.8 46.6 42.6 6.1 68.8 25.1
8.7 48.5 42.8 3.7 71.0 25.3
15.0 59.5 25.5 44.0 26 30
№зТ1 - Бе2Т1
12.3 61.8 25.9 42.5 26.5 31.0
3.1 73.2 23.7 22.0 72.0 6.0
6.0 70.5 23.5 15.5 58.0 6.5
№3Т1 - у
14.1 62.2 23.7 42.1 46.3 11.6
16.7 58.3 25.0 54.2 33.5 12.3
68.1 3.7 29.5 88.1' 5.5 6.4
Бе2Т1 - у* 58.0 13.0 29.0 74.0 18.0 8.0
55.0 15.5 29.5 67.1 23.3 9.6
*Коноды получены в результате исследования равновесных сплавов.
В настоящей работе при 1273 К данное соединение обнаружено при концентрации 2.4 ат.% N1 и 30.1 ат.% Бе, что подтверждает результаты работы [1]. Фаза Т12№ образуется в системе №-Т1 по перитекти-ческой реакции Ь+№Т1 «Т12Ш при 1257 К [4]. По-видимому, добавление железа приводит к повышению температуры плавления фазы на основе Т12№.
На основе анализа литературных данных и результатов настоящей работы строение системы Бе-№-Т1 при 1273 К в области 50-100 ат.% Т можно представить так, как показано на рис. 3). Фаза на основе соединения Т12№ существует в интервале концентраций от ~2 до 4 ат.% N1 и 28-30 ат.% Бе и находится в равновесии с Р-Т1 и твердым раствором на основе соединений БеТ1- №Т1. Жидкая фаза Ь двойной системы N1-Т1 растворяет до ~10 ат.% Бе. В системе существуют три треугольника трехфазных равновесий: Т12№-Р(Т1)-
Р'(РеТ1) со стороны Бе-Т1, Т12№-Р(Т1)-Р'(БеТ1) стороны жидкой фазы и Ь-Р(Т1)-Р'(№Т1).
Рис. 2. Микроструктуры спелава Т1Бе+Р-Т1 (а) и трехфазного слоя в переходной зоне образца Ре21.7№78.3+Бе43.5Т156.5 (б) при увеличении 880 во вторичных электронах
Т а б л и ц а 3
Составы конодных треугольников в системе Fe-Ni-Ti
Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3
Область Fe, Ni, Ti, Fe, Ni, Ti, Fe, Ni, Ti,
ат.% ат.% ат.% ат.% ат.% ат.% ат.% ат.% ат.%
Fe2Ti - Ni3Ti - g 52.0 18.0 30.0 17.5 57.1 25.4 62.2 26.5 11.3
Fe2Ti - P' - Ni3Ti 39.2 26.9 34.9 14.8 40.6 44.6 7.6 65.6 26.8
FeTi - Ti2Ni - P-Ti* 45.6 0.7 53.7 30.1 2.4 67.5 20.4 0.1 79.5
* Данные получены при исследовании диффузионной пары 5 (табл. 1).
Рис. 3. Изотермическое сечение диаграммы состояния тройной системы Ре-№-Т при температуре 1273 К
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Van Loo F.J.J. Vrolijk J.W.G. Bastin G.F. // J. Les.-Com. Met. 1981. 77. P. 121.
2. Дудкина Л.П., Корнилов И.И. // Изв. АН. СССР. Металлы.
1967. №4. C. 184.
3. Алисова С.П., Будберг П.Г., Бармина Т.Н., Луцкая Н.В. //
Металлы. 1994. №1. C. 158.
4. Murray J.L. // Binary Alloys Phase Diagrams. 1986. P. 1768.
Поступила в редакцию 20.04.98
