CC BY
23
УДК 538.911
И. В. Стерхова, В. В. Мухгалин, Е. А. Печина,
С. М. Иванов, В. И. Ладьянов, В. К. Носенко, А. А. Назаренко
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ ЛЕНТАХ AL90Y10 ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ И ДЕФОРМАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Ключевые слова: быстрозакаленные ленты AlgoYio, кристаллизация, ИПДК.
Методами дифференциальной сканирующей калориметрии и рентгеноструктурного анализа проведены сравнительные исследования кристаллизации быстрозакаленной ленты Alg0Y10 при термическом и деформационном воздействиях. Показано, что при непрерывном нагреве кристаллизация быстрозакаленной ленты Alg0Y10 протекает с образованием метастабильной фазы Al4Y по следующему механизму ам. фазанам. фаза s+a-Alnep^a-Alnep+(a-Al+Al4Y)3em^a-Al+Al4Y^a-Al+Al3Y. Показано, что при ИПДК при давлении 3ГПа с вращением от 0 до 12 оборотов полной кристаллизации быстрозакаленных лент не происходит. Кристаллизация лент Alg0Y10, инициируемая деформацией протекает с образованием метастабильных фаз Al4Y (после 1 оборота) и Al2Y (после 4 оборотов), причем формирование последней не наблюдается в процессе непрерывного нагрева исходной ленты.
Keywords: Alg0Y10 rapidly quenched ribbon, crystallization, HPT.
The comparative studies of crystallization of Alg0Y10 rapidly quenched ribbon under thermal and deformation effects have been carried out by differential scanning calorimetry and X-ray structural analysis. It is shown that during continuous heating crystallization of Alg0Y10 rapidly quenched ribbons proceeds with the formation of the Al4Y metastable phase in accordance with the following mechanism am phase ^ am. phase' + a-Alsup ^ a-Alsup + (a-Al + Al4Y)eut ^ a-Al + Al4Y ^ a-Al + Al3Y. It is shown that during HPT at 3GPa with the rotation from 0 to 12 revolutions the complete crystallization of this rapidly quenched ribbon did not occur. Crystallization of the Alg0Y10 ribbons, initiated deformation proceed with formation of Al4Y metastable phase (after 1 revolution) and Al2Y (after 4revolutions), and the formation of the latter phase is not observed in the process of continuous heating of this ribbon.
Введение
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию аморфно-нанокристаллических композитов на основе А1 с добавками переходных и редкоземельных металлов [1-3]. Интерес к этим материалам обусловлен как собственно необычной структурой, так и высокими прочностными характеристиками в сочетании с хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью при малом их удельном весе [2-4]. Формирование подобной структуры возможно в результате частичной кристаллизации аморфных сплавов при различных внешних воздействиях (термическом, деформационном, облучением нейтронами или электронами) [3-5]. При этом представляется важным выяснить при каких условиях образуется аморфно-нанокристаллическая структура в сплавах, какова ее стабильность и как она меняется в процессе дальнейшей обработки. Кроме того, отмечается, что химический состав и структура нанокристаллов, в результате различных способов их синтеза из аморфных сплавов могут отличаться [5].
В связи с этим в работе методами дифференциальной сканирующей калориметрии и рентгеност-руктурного анализа проведены сравнительные исследования процессов кристаллизации быстрозакаленной ленты Л1доУю при термическом и деформационном воздействиях.
Методы исследования
Быстрозакаленную ленту А1доУ-|о получали методом спиннингования ограниченной струи расплава на быстровращающийся медный диск в защитной атмосфере гелия. Температура расплавов перед закалкой составляла 950-1000°С. Скорость вращения
диска 1500 об/мин. Толщина быстрозакаленной ленты длинной несколько метров составляла З5-55 мкм, ширина ~ 11мм. Интенсивную пластическую деформацию кручением (ИПДК) проводили в наковальнях Бриджмена при комнатной температуре и давлении ЗГПа с вращением от 0 до 12 оборотов. Скорость вращения нижней наковальни Бриджме-на составляла 1об/мин.
Исследование процессов кристаллизации быстрозакаленной ленты Al90Yi0 проводили методами дифференциальной сканирующей калориметрии на калориметре Perkin Elmer Diamond DSC и рентгеноструктурного анализа на дифрактометре D8 Advance (Bruker AXS). Калориметрические измерения проводили в интервале температур от 50 до 600°С со скоростью нагрева 10°С/мин. Для обработки термограмм использовали пакет программ, входящий в комплект калориметра. Рентгеновский дифракционный анализ структуры на 9-9 дифрактометре D8 Advance (Bruker AXS) проводили в геометрии параллельного пучка с Cu-Ka излучением, параболическим зеркалом Гёбеля (60мм) на первичном пучке и полупроводниковым Si(Li) детектором Sol-XE. Структурно-фазовые превращения при нагреве (10°С/мин) in-situ исследовали с использованием высокотемпературной камеры HTK1200 Anton Paar и высокоскоростного детектора Vantec-1. Уточнение структуры на основе дифракционных данных выполнено с использованием TOPAS 4.2.
Результаты и их обсуждение
По данным рентгеноструктурного анализа как контактная, так и свободная стороны быстро-закаленной ленты Al90Y10 характеризуются аморф-
но кристаллической структурой. На рентгенограммах на фоне аморфного гало присутствуют пики кристаллических фаз, твердого раствора на основе а-А1(У) и метастабильной фазы А14У (рис.1). При этом доля кристаллической составляющей в структуре ленты незначительна, лента выдерживает полный изгиб (изгиб по нулевому радиусу).
I
свободная сторона
20
I | | ' •
_|_II I I I I I II_1,11 111,11 I , I III I ♦
30 40 50 60 70 80 90 2в
Рис. 1 - Рененограммы свободной и контактной сторон быстрозакаленной ленты AI90Yi0 (• - а-Al, ♦ - Al4Y)
» 1 0
■2
о а £
-4
экзо
{
200
300
400
500 Т, °С
Рис. 2 - Термограмма нагрева быстрозакаленной ленты AI90Y10 (Унагрев = 10°С/мин)
I
..............п'''^ \ 1 N. исходная лента Д V.^«*...^-'1 ........
- -J^jjj ■111, ^ Л .А. 240°С ^ Ал. A.A«AV. /и /L Л- -
1 III 1 11,111 1 1 1 500°С 1 III II 1 1 lili II 1 1 ♦ ill ill ill 11 i II i i, lililí ,iiii 11,1 и ▲
20 30 40 50 60 70 2в
Рис. 3 - Рентгенограммы быстрозакаленных
лент AI90Yi0 оттоженных при различных температурах (• - a-Al, ♦ - AI4Y, ▲ - AI3Y)
Согласно результатам дифференциальной сканирующей калориметрии кристаллизация быстро-закаленной ленты AlgoY-io при непрерывном нагреве носит многостадийный характер и сопровождается 4 экзотермическими эффектами (рис. 2) температуры которых соответственно равны 190, 260, 340 и 380°С.
Как видно из представленной на рис. 2 термограммы все стадии кристаллизации быстрозака-ленной ленты хорошо отделены друг от друга. В этом случае для определения последовательности образования кристаллических фаз на каждой стадии были проведены отжиги лент при температурах соответствующих завершению каждой стадии кристаллизации (240, 280, 350 и 600°С). Рентгенограммы лент, оттоженных в течение 2 минут при указанных температурах представлены на рис.3. Согласно полученным результатам, кристаллизация аморфной фазы в исследованной быстрозака-ленной ленте протекает по первичному механизму [6] c образованием на первой стадии пересыщенного твердого раствора на основе а-А1пер На рентгенограмме лент оттоженных при температуре соответствующей завершению первой стадии кристаллизации присутствуют достаточно интенсивные пики твердого раствора на основе a-Al с параметром решетки а=4,0650 А. При этом средний размер кристаллитов, рассчитанный из дифракционных данных, составляет 16нм. Следующая стадия кристаллизации соответствует одновременному росту из аморфной матрицы кристаллов a-Al и метастабильной тетрагональной фазы Al4Y (а = 4,2064А и с = 9,6960А) по эвтекическому механизму. На рентгенограмме ленты после отжига при 280°С присутствуют пики от кристаллов a-Al и Al4Y, аморфная фаза отсутствует. Параметр решетки твердого раствора a-Al(Y)nep значительно снижается до 4,0572А. После завершения третьей стадии кристаллизации вид рентгенограмм не изменяется (рис. 3). При этом наблюдается уменьшение параметра решетки твердого раствора на основе a-Al до 4,0502 А. Полученное значение параметра решетки a-Al(Y) становиться близким к значениям параметра решетки равновесного Al. Таким образом, можно предположить, что на третьей стадии кристаллизации происходит распад пересыщенного твердого раствора a-Al(Y)nep с выделением Al4Y. При последующем нагреве выше 375°, температуры начала последней стадии кристаллизации, наблюдается распад метастабильной фазы Al4Y с образованием равновесного интерме-таллида Al3Y с параметрами решетки а=6.1861А, b= 21.0440А. Таким образом, при непрерывном нагреве кристаллизация быстрозакаленной ленты Alg0Yi0 протекает по следующему механизму: ам.
ам.фаза4 + a-Al,
a-Al
пер
(a-
фаза —т ам.фаза 1 a-Alnep
Al+Al4Y)3BT ^ a-Al + Al4Y ^ a-Al + Al3Y. Иссле-дованиию кристаллизации быстрозакаленнх лент Alg0Yi0 посвящено несколько работ [7, 8]. При этом в [7] также отмечается образование на второй стадии кристаллизации не установленной метаста-бильной фазы с тетрагональной структурой и параметрами решетки близкими к параметрам решетки Al4Y.
Результаты рентгеноструктурных исследований лент после ИПДК представлены на рис.4. При интенсивной пластической деформации кручением быстрозакаленных лент Alg0Y-0 при увеличении числа оборотов наблюдается изменение структурно-фазового состояния быстрозакаленной
ленты. В условиях небольших деформаций кручением до е = 3,3 (до 1/4 оборота) наблюдается измельчение присутствующих в аморфно-кристаллической ленте фаз (твердого раствора на основе a-Al и Al4Y). На рентгенограммах деформированных образцов наблюдается значительное уширение пиков кристаллических фаз. При е = 4, соответствующему 1/2 оборота, Al4Y полностью переходит в аморфную матрицу, на рентгенограмме отсутствуют пики соответствующие этой фазе (рис. 4). Дальнейшее увеличение степени деформации сопровождается зарождением кристаллов Al4Y при е = 4,7 (после 1 оборота) и Al2Y при е = 6 (после 4 оборотов). При этом в деформированных образцах сохраняется определенная доля аморфной фазы. Дальнейшее повышение числа оборотов не приводит к существенному изменению структурно-фазового состояния деформированных лент.
I
Рис. 4 - Рентгеннограммы быстрозакаленной ленты Alg0Y10 после ИПДК при 3ГПа, n -число оборотов (• - a-Al, ♦ - Al4Y, ■ - Al2Y)
При последующем нагреве деформированных образцов степень деформации которых не превышает е = 4,7 (1 оборота) наблюдается незначительное повышение термической стабильности аморфной матрицы (от 190 до 220°С), а характер ее кристаллизации совпадает с кристаллизацией исходной лены. Кристаллизация деформированных образцов с е > 4,7 (более 1 оборота) характеризуется двумя экзотермиче-
скими эффектами. Согласно результатам рентге-ноструктурных исследований деформированных лент полученных in-situ при нагреве первая стадия сопровождается ростом сформированных под действием ИПДК кристаллических фаз a-Al, Al4Y и распадом Al2Y при 250°С. На второй стадии наблюдается распад метастабильной фазы Al4Y с образованием равновесного интерметаллида Al3Y.
Заключение
Таким образом, проведенные сравнительные исследования кристаллизации быстрозакаленной ленты Al90Y10 при термическом и деформационном воздействиях показали, что при непрерывном нагреве кристаллизация быстрозакаленных лент Al90Y10 протекает с образованием метастабильной фазы Al4Y по следующему механизму ам. фаза ^ ам.фаза' + a-Alnep ^ a-Alnep + (a-Al +Al4Y);3BT ^ a-Al + Al4Y ^ a-Al + AГ3¥казано, что при ИПДК при давлении ЗГПа с вращением от 0 до 12 оборотов полной кристаллизации быстрозакаленных лент не происходит. Кристаллизация лент Al90Y10, инициируемая деформацией протекает с образованием мета-стабильной фазы Al4Y (после 1 оборота) и Al2Y (после 4 оборотов), причем формирование последней не наблюдается в процессе непрерывного нагрева исходной ленты.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект №12-П-2-1044.
Литература
1. A. Inoue, Progr. Mater. Sci., 43, 365-520 (1998).
2. Г.Е. Абросимова, А.С. Аронин, О.И. Баркалов, М.М. Дементьева, ФТТ, 55, 9, 1665-1670 (2013).
3. D. V. Louzguine, A. Inoue, J. Non-Cryst. Solids, 311, 281-293 (2002).
4. A. Inoue, H. Kimura, J. Light Met, 1, 31-41 (2001).
5. Г.Е. Абросимова, УФН, 181, 12, 1265-1281 (2011).
6. У. Кестер, У. Герольд, Металлические стекла, Мир, Москва, 1983. 325с.
7. J.Q. Guo, K. Ohtera, K. Kita, Mat. Lett, 24, 127-132 (1995).
8. J. Antonowicz, P. Jaskiewicz, L. Nowinski, K. Pekala, J. Non-Cryst. Solids, 329, 77-81 (2003).
© И. В. Стерхова - к.ф.-м.н., научный сотрудник, Отдел структурно-фазовых превращений, Физико-технический институт Уральского отделения РАН, [email protected]; В. В. Мухгалин - младший научный сотрудник, Отдел структурно-фазовых превращений, Физико-технический институт Уральского отделения РАН, [email protected]; Е. А. Печина - к.ф.-м.н., Научный сотрудник, Отдел структурно-фазовых превращений, Физико-технический институт Уральского отделения РАН, [email protected]; С. М. Иванов - ведущий электроник, Отдел структурно-фазовых превращений, Физико-технический институт Уральского отделения РАН, [email protected]; В. И. Ладьянов - д.ф.-м.н., Доцент, Директор, Отдел структурно-фазовых превращений, Физико-технический институт Уральского отделения Российской Академии наук, [email protected]; В. К. Носенко - д.ф.-м.н., с.н.с., зав. Отделом, Отдел кристаллизации, Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины; А. А. Назаренко - м.н.с., Отдел кристаллизации, Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины.
© I. V. Sterkhova, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Scientist Department of structural-phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected]; V. V. Mukhgalin, Junior scientist, Department of structural-phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected]; E. A. Pechina, Candidate of Tachnical Sciences, Scientist Department of structural-phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected]; S. M. Ivanov, Leading electronics, Department of structural-phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected]; V. I. Lad'yanov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate professor, Director Department of structural-phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected]; V. K. Nosenko, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Senior scientist, head of department Department of crystallization, G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of NAS of Ukraine; A. A. Nasarenko, Junior scientist, Department of crystallization, G.V. Kurdyumov Institut for Metal Physics of NAS of Ukraine.
