CC BY
53
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЖИДКИХ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ,
МЕДИ И ВИСМУТА
В.В. САГАДЕЕВ Казанский государственный технологический университет
Абсолютным радиационным методом измерены нормальные интегральные степени черноты жидких сплавов медь — алюминий, висмут — алюминий и медь — висмут при различных температурах и концентрациях металлов. Погрешность измерений составила от ± 5% до ± 8%. Получена единая обобщенная зависимость для расчета полусферических интегральных потоков теплового излучения жидких бинарных сплавов металлов.
В существующих технологиях большинство металлических и полупроводниковых материалов получают кристаллизацией из расплавов. В связи с этим актуальной проблемой остается создание и совершенствование базы данных по тепловому излучению жидких сплавов металлов. В литературе имеются многочисленные данные по радиационным характеристикам металлов и сплавов в твердой фазе [1]. Тепловое излучение жидких сплавов металлов практически не исследовано. Известно несколько работ, где приводятся измерения степеней черноты для сплавов никель - алюминий, железо -алюминий, кремний с железом, кобальтом и никелем [2 - 4].
В настоящей работе экспериментально определено тепловое излучение сплавов медь - алюминий, висмут - алюминий и медь - висмут в жидкой фазе. Описание экспериментальной установки и методики измерения приведено в работе [5]. Исследуемые сплавы готовились из чистых металлов А1, Си, Ы с содержанием основного элемента не меньше 99,99%. Точность навесок для получения различных концентраций сплавов достигалась взвешиванием чистых элементов на аналитических весах класса точности 0,2. Погрешность измерений нормальной интегральной степени черноты ги оценена от ± 3 до ± 7% в зависимости от температуры опыта. Минимальные температуры эксперимента были ограничены линией ликвидуса на фазовой диаграмме температурного состояния сплавов. Интегральные нормальные степени черноты сплавов ги (доли атомные) приведены в табл. 1-3.
Таблица 1
Нормальные интегральные степени черноты сплава медь - алюминий
Т, К £„ Т, К Т, К
0,905А1 1462 0,134 1150 0,115
900 0,071 1520 0,142 1209 0,121
963 0,076 1550 0,145 1261 0,123
1015 0,082 1610 0,150 1319 0,129
1070 0,089 1665 0,156 1372 0,137
1132 0,096 1712 0,163 1423 0,139
1186 0,101 1767 0,167 1475 0,144
1260 0,111 0,702А1 1532 0,152
1305 0,114 870 0,076 1576 0,157
© В. В. Сагадеев Проблемы энергетики, 2005, № 11-12
Т, К £п Т, К £п Т, К £п
1361 0,120 926 0,084 1630 0,160
1400 0,126 975 0,087 1672 0,165
1437 0,131 1037 0,095 1721 0,172
1490 0,135 1098 0,098 1760 0,174
0,830А1 1165 0,106 0,300А1
835 0,065 1215 0,114 1321 0,134
890 0,072 1275 0,118 1355 0,138
950 0,077 1335 0,126 1400 0,142
1005 0,085 1393 0,132 1450 0,146
1052 0,090 1456 0,137 1505 0,151
1112 0,095 1525 0,144 1550 0,157
1156 0,102 1573 0,151 1595 0,163
1195 0,106 1650 0,158 1653 0,166
1225 0,108 1685 0,162 1702 0,171
1274 0,113 1755 0,169 1747 0,177
1325 0,120 0,500А1
1400 0,128 1085 0,107
Таблица 2
Нормальные интегральные степени черноты сплава висмут - алюминий
Т, К £„ Т, К £п Т, К £п
0,950А1 1290 0,205 1133 0,281
935 0,122 1322 0,207 1159 0,280
970 0,125 1350 0,205 1185 0,286
1000 0,127 1388 0,209 1212 0,288
1030 0,130 0,600А1 1245 0,289
1066 0,132 940 0,217 1284 0,292
1091 0,133 974 0,225 1320 0,293
1125 0,135 1000 0,227 1350 0,295
1150 0,135 1032 0,232 1376 0,294
1179 0,136 1060 0,240 1400 0,295
1215 0,136 1090 0,241 0,300А1
1247 0,137 1125 0,247 933 0,258
1277 0,138 1150 0,249 970 0,269
1304 0,137 1178 0,252 1000 0,273
1325 0,140 1207 0,253 1030 0,278
1352 0,141 1242 0,258 1060 0,284
1380 0,142 1270 0,258 1095 0,290
1406 0,143 1309 0,264 1120 0,293
0,800А1 1345 0,263 1150 0,295
938 0,177 1378 0,267 1170 0,299
975 0,183 1405 0,268 1195 0,301
1015 0,191 0,400А1 1225 0,304
1057 0,195 935 0,239 1255 0,306
1098 0,196 981 0,250 1275 0,307
1135 0,200 1010 0,257 1300 0,308
Т, К £п Т, К £п Т, К £п
1177 0,201 1039 0,261 1332 0,310
1220 0,203 1062 0,270 1351 0,311
1256 0,203 1095 0,272 1390 0,313
Таблица 3
Нормальные интегральные степени черноты сплава медь - висмут
Т, К £п Т, К £п Т, К £п
0,750Б1 1375 0,268 1190 0,194
1000 0,249 1400 0,272 1245 0,198
1049 0,258 1448 0,276 1286 0,200
1080 0,261 1488 0,277 1334 0,205
1145 0,268 1525 0,278 1387 0,209
1200 0,275 1575 0,278 1431 0,210
1243 0,275 1622 0,282 1482 0,213
1282 0,278 1670 0,283 1521 0,213
1325 0,284 0,320Б1 1564 0,218
1372 0,285 1150 0,220 1615 0,219
1421 0,292 1180 0,223 1662 0,224
1473 0,294 1225 0,225 1710 0,226
1561 0,298 1260 0,231 0,075Б1
1550 0,299 1300 0,232 1270 0,171
1600 0,300 1348 0,238 1310 0,174
0,570Б1 1395 0,240 1355 0,178
1071 0,241 1440 0,244 1400 0,182
1115 0,247 1485 0,245 1448 0,184
1156 0,248 1530 0,249 1505 0,189
1180 0,256 1568 0,251 1544 0,191
1230 0,258 1618 0,254 1585 0,193
1257 0,259 1655 0,255 1635 0,198
1280 0,265 1695 0,257 1678 0,199
1330 0,266 0,170Б1 1725 0,201
При плавлении степени черноты чистых элементов изменяются скачком. Их изменения отражают происходящую перестройку структуры. У элементов, плавящихся по типу металл - металл, при плавлении не происходит значительных структурных изменений [6], степени черноты таких элементов увеличиваются. В составе исследованных сплавов содержится только один компонент - висмут, являющийся в твердой фазе полуметаллом и плавящийся по типу полуметалл - металл. При его плавлении происходит существенная перестройка структуры: разрушаются ковалентные связи, растет число свободных электронов, значительно меняется координационное число. При плавлении степень черноты висмута уменьшается на 12%.
Все исследованные сплавы имеют положительный температурный коэффициент нормальных интегральных степеней черноты (рис. 1).
400 800 1200 1600 Т, К
Рис. 1. Нормальные интегральные степени черноты сплава медь - алюминий.
Содержание алюминия: 1 - 0, 905; 2 - 0, 830; 3 - 0, 702; 4 - 0, 500; 5 - 0, 300 (доли атомные)
Концентрационные зависимости нормальных интегральных степеней черноты сплавов представлены на рис. 2. Изотермы степеней черноты в зависимости от состава не аддитивны. Сплав медь - алюминий относится к системам с сильным взаимодействием компонентов и образованием интерметаллических соединений [7]. Изотермы степеней черноты имеют положительные отклонения от аддитивной прямой, максимум отклонения наблюдается при концентрации сплава 0,3 ат. долей Al. Аналогичная зависимость наблюдается на изотермах удельного электросопротивления [8], вязкости [9] и теплоты смешения [7] сплава. Термо ЭДС сплава меняет знак при концентрации
0,3-0,4 ат. долей Al [8].
Рис. 2. Концентрационная зависимость нормальных интегральных степеней черноты сплавов: 1 - Си - А1 при Т=1400К; 2 - Си - Б1 при Т=1400К; 3 - Б1 - А1 при Т=1000К; 4 - Си - Б1 расчет по электромагнитной теории. Доли атомные второго компонента
Алюминий и висмут обладают ограниченной взаимной растворимостью как в твердом, так и в жидком состоянии [7]. Растворимость висмута в жидком алюминии составляет 3,4 ат.% при температуре монотектики. Концентрационная зависимость степеней черноты показывает, что при добавлении висмута к алюминию степени черноты возрастают, отклонения от аддитивной прямой положительны и достигают 53% (рис. 2). Данные по интегральным степеням
черноты указывают на то, что висмут проявляет сильную активность в жидком сплаве - даже малые добавки висмута приводят к резкому увеличению степеней черноты сплава. Аналогично ведут себя изотермы поверхностного натяжения [10] сплава.
Сплав медь - висмут относится к системам с эвтектикой вблизи 0% компонента и перегибом на линии ликвидус. В твердом состоянии медь и висмут практически не растворяются. В жидком состоянии для этого сплава характерна тенденция к расслоению [11]. Изотермы степеней черноты имеют значительные положительные отклонения от аддитивной прямой, максимум отклонения смещен в сторону концентраций сплава, богатых медью (рис. 2). Аналогичная зависимость наблюдается на изотермах удельного электросопротивления сплава [9].
Теоретические методы расчета теплового излучения жидких бинарных сплавов не разработаны. Электромагнитная теория, разработанная для расчета теплового излучения твердых полированных металлов (формула Ашкинаса-Фута
/ 3/^
воспроизводит опытные данные по
6п = 5,76д/рГ -17,9рТ + 44,3
рТ' 2 V у
нормальным интегральным степеням черноты при умеренных температурах до 600-800 К [12]. Рассмотрена возможность применения этой теории для жидких сплавов. Рассчитанные степени черноты по сравнению с опытными данными оказались заниженными для всех сплавов на 25-60%, хотя характер их изменения в зависимости от состава качественно соответствует поведению экспериментальных степеней черноты сплавов (рис. 2).
Опытные данные по тепловому излучению исследованных сплавов обобщены на основе энтропийной методики [13]:
и = р (Б/В), (1)
где $ - энтропия сплава; В - газовая постоянная. Тепловое излучение расплавов относится к 1 м2 поверхности. При изменении температуры изменяется число частиц металла, участвующих в формировании потока теплового излучения. Отношение плотности металла к массе частицы (р / т) есть число частиц в
единице объема. Величина (р / т) 3 пропорциональна числу частиц, приходящихся на 1 м2 приповерхностного слоя. Если плотность полусферического потока теплового излучения я разделить на (р / т)2 3, то комплекс я (р / т) 3 будет отнесен к частице на поверхности. В расчетах удобнее вместо массы частицы т использовать молекулярную массу д = т^, тогда я = я(д/р)2 3. Соотношение (1) нами использовано в виде
и = я) я* =р ($/В). (2)
Масштабный поток я* = [я(д/р)2 3]!для каждого состава сплава брался
*
равным величине я при постоянном для всех сплавов значении энтропии $/В = 10. Полусферическая интегральная степень черноты для расчета я находилась по нормальным интегральным степеням черноты по методике [12]. Энтропия жидкого сплава рассчитывалась по соотношению $ = х1 + Х2$2 - ,
где х1 и х2 - мольные доли; $1 и $2 - энтропии чистых металлов; Л$ - поправка на
смешение. Отклонение поведения системы от идеального характеризуется
величиной избыточной энтропии смешения ДБиэб, зависящей от размерного фактора, электронного и структурночувствительного слагаемого. Для регулярного раствора ДБиэб = 0 во всем интервале растворимости. При определении энтропии жидкого сплава учитывалась именно избыточная энтропия смешения сплава. Значения избыточных энтропий смешения для сплавов приняты по [14].
Потоки теплового излучения жидких сплавов укладываются на обобщенную зависимость (рис. 3), полученную ранее для чистых жидких металлов [15].
Рис. 3. Относительные потоки интегрального теплового излучения сплавов: А) Си - А1 (1 - 0, 905А1; 2 - 0, 830А1; 3 - 0, 702А1; 4 - 0, 500А1; 5 - 0, 300А1); Б) Си - Б1 (1 - 0, 750Б1; 2 - 0, 570Б1; 3 - 0, 320Б1; 4 - 0, 170Б1; 5 - 0, 075Б1). Линия А смещена на 0,5 значения вертикальной оси вверх
Усредняющая прямая обобщенной зависимости соответствует уравнению
и = 5,4910-7ехр(1,4414 Б/В). (3)
Отклонение большинства экспериментальных данных от усредняющей прямой составляет ± 3 - 7%, что не превышает погрешность их измерений.
Масштабные потоки жидких сплавов в зависимости от состава сплава при постоянном для всех сплавов значении энтропии Б/В = 10 представлены на рис. 4. Масштабные потоки исследованных сплавов не аддитивны.
Рис. 4. Масштабные потоки и температуры Дебая 0 сплавов Си - А1 (1, 3) и Си - Б1 (2, 4).
Доли атомные второго компонента
Масштабный поток пропорционален температуре Дебая в четвертой степени. Температура Дебая 0 характеризует прочность химической связи. Применение ее к расплавам, согласно [6], даже предпочтительнее, чем к твердым телам. Температуры Дебая для чистых жидких металлов в литературе встречаются не для всех металлов. Для жидких бинарных сплавов металлов температуры Дебая отсутствуют. По известным масштабным потокам и уравнению (3) можно определять температуры Дебая для жидких сплавов различной концентрации компонентов (рис. 4).
Таким образом, представлены результаты измерений теплового излучения сплавов медь - алюминий, висмут - алюминий и медь - висмут. Проанализирована зависимость изотерм нормальных интегральных степеней черноты этих сплавов от состава. Рассмотрена возможность применения электромагнитной теории к расчету излучения жидких сплавов металлов. Наблюдается лишь качественное совпадение расчетов с экспериментом. Относительные потоки теплового излучения жидких сплавов описываются той же зависимостью, что и чистые жидкие металлы.
Summary
Normal intégral emissivity factors of liquid alloys Cu - Al, Bi - Al and Cu - Bi was measured by absolute radiate method at différent concentration of métal and températures. Possible measurement errors are ± 5 — 8 %.
Литература
1. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. А. Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974. - 472 с.
2. Шварев К. М. Интегральная излучательная способность сплавов системы Ni - Al в твердом и жидком состояниях / К. М.Шварев, С.Х. Байтураев, Б.А. Баум // ИФЖ. - 1983. - Т. 44. - № 2. - С. 322-325.
3. Шварев К. М. Интегральная излучательная способность сплавов системы железо - алюминий при высоких температурах / К. М.Шварев, С.Х. Байтураев, Б.А. Баум // ИФЖ. - 1984. - Т. 46. - № 2. - С. 823-828.
4. Шварев К. М. Интегральная излучательная способность сплавов кремния с железом, кобальтом и никелем в области температур от 900 до 1750 °С / К. М. Шварев, Б. А. Баум, П. В. Гельд // ТВТ. - 1973. - Т. 11. - № 1. - С. 78-80.
5. Панфилович К.Б. Тепловое излучение бинарных сплавов олова, свинца и висмута / К.Б. Панфилович, И.Л. Голубева, В.В. Сагадеев // ТВТ. - 2004. -Т. 42. - № 5. - С.718 - 723.
6. Глазов В.М. Энтропии плавления металлов и полупроводников / В.М. Глазов, А.А. Айвазов - М.: Металлургия, 1980. - 175с.
7. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем: в 4-х т. / А.Е. Вол - М: Наука, 1962. - Т. 4.
8. Bretonnet J.-L. Electrical Transport Properties of the Liquid Al-Cu Alloys / J.-L. Bretonnet // Met. Trans. - 1983. - V.14A. - №9. - P.395-397.
9. Арсентьев П.П. Металлургические расплавы и их свойства / П.П. Арсентьев, Л.А. Коледов - М.: Металлургия, 1976. - 376с.
10. Goumiri L. Tensions Superficielles D’Alliages Liquides Binaires Presentant un Caractere D’Immiscibilite: Al-Pb, Al-Bi, Al-Sn et Zn-Bi / L. Goumiri // Surface Science - 1979. -Vol. 83. - №2. - P.471-486.
11. Баталин Г.И. Термодинамика и строение жидких сплавов на основе алюминия / Г.И. Баталин, Е.А. Белобородова, В.П. Казимиров - М.: Металлургия, 1983. - 160с.
12. Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer / R. Siegel, J.R.Howell - New York: McGraw-Hill Book Company, 1972. - 934p.
13. Панфилович К.Б. Тепловое излучение твердых оксидов, карбидов и нитридов // ТВТ. - 1995. - Т. 33. - № 1. - С. 155 - 158.
14. Hultgren R. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys / R. Hultgren, P.T. Desai, D.T.Hawkins - New York: American Society of Metals, 1973. - 1275 p.
15. Панфилович К.Б. Тепловое излучение жидких металлов / К.Б. Панфилович, И.Л. Голубева, В.В. Сагадеев // Вестник КГТУ. - 2004. - №1-2. -
С.180-187.
Поступила 19.10.2005
