CC BY
63
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №7_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 669.715.620.193
Н.Ф.Иброхимов, Н.И.Ганиева, А.Э.Бердиев*, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев
ВЛИЯНИЕ ИТТРИЯ НА КИНЕТИКУ ОКИСЛЕНИЯ ТВЁРДОГО СПЛАВА
АMr2
Таджикский технический университет им. академика М.Осими, Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан
Термогравиметрическим методом исследовано взаимодействие сплава AMr2, содержащего иттрий, с кислородом воздуха в интервале 673...873 К. Определены кинетические параметры процесса окисления. Добавки иттрия до 0.1 масс.% уменьшают скорость окисления, что сопровождается возрастанием величины кажущейся энергии активации процесса окисления с 39.3 до 92.1 кДж/моль.
Ключевые слова: сплав AMr2 - иттрий - термогравиметрический метод - кинетика окисления -истинная скорость окисления - энергия активации.
Изучению процесса окисления алюминиевых сплавов в жидком состоянии посвящены работы [1,2]. Имеются ограниченные сведения об окислении алюминиево-магниевых сплавов и влиянии третьего компонента на них [3].
В настоящей работе в качестве третьего компонента нами выбран иттрий. Иттрий - химически активный металл, реагирует с щелочами и кислотами, сильно окисляется при нагревании на воздухе. Известно, что иттрий повышает сопротивляемость окислению многих сталей и сплавов, используется как легирующая и модифицирующая добавка к сплавам на основе многих металлов. Повышает жаропрочность магниевых и алюминиевых сплавов.
Для исследования влияния иттрия на кинетику окисления твёрдых сплавов алюминия, содержащих 2.0 мас.% магния, были синтезированы серии сплавов с содержанием иттрия 0.01, 0.03, 0.1, 0.2 и 0.5 масс%.
Цель работы заключалась в установлении кинетических параметров процесса окисления сплава АМг2, легированного иттрием. Для достижения поставленной цели методом термогравиметрии были исследованы механизм и кинетика окисления сплава АМг2, легированного иттрием, в интервале 673... 873 К.
Результаты исследования кинетики окисления твёрдого сплава АМг2, содержащего иттрий, в зависимости от температуры приведены на рис. 1 и 2. В координатах (g/S)-T окисление идет по гиперболическому закону. По углу наклона прямых рассчитаны скорости окисления кгм-2с-1. Энергия активации процесса окисления (Е) вычислена из зависимости логарифма скорости реакции окисления от обратной температуры (lgK-1/T).
Адрес для корреспонденции: Иброхимов Насимчон Файзуллоевич. 734042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. акад. Раджабов, 10а, Таджикский технический университет. E-mail: [email protected]
Кинетику окисления исходного сплава АМг2 в твёрдом состоянии исследовали при температурах 673, 773 и 873 К (рис. 1а). Гиперболический характер кинетических кривых свидетельствует, что процесс взаимодействия сплава с газовой фазой лимитируется диффузионными процессами. Истинная скорость окисления в зависимости от температуры изменялась от 2.91.10-4 кгм-2с-1 при 673 К до 3.83.10-4 кгм-2с-1 при температуре 873 К. Кажущаяся энергия активации окисления составляла 39.3 кДж/моль.
Кинетические кривые окисления сплава АМг2, легированного 0.03 масс% иттрием (рис. 1б), при температурах 673, 773 и 873 К в течение первых 10-15 мин имели линейный вид, а затем приобретали гиперболический характер. Таким образом, первоначально окисление происходило с формированием рыхлой плёнки, далее образование оксидов протекало с диффузионными затруднениями. Истинная скорость окисления изменялась от 2.50-10-4 при 673 К до 3.06 кгм-2с-1 при 973 К (см.табл.). Кажущаяся энергия активации окисления исследуемого сплава составила величину 62.8 кДж/моль.
Кинетику окисления сплава АМг2, содержащего 0.1 масс.% иттрия, изучали при температурах 673, 773 и 873 К (рис. 1в). Процесс окисления сплава нарастал, наибольшее его значение, равное 2.1 кг/м2, достигалось при температуре 873 К, а наименьшее - 1.4 кг/м2 при 673 К. Окисление данного сплава подчиняется гиперболическому закону с кажущейся энергией активации 92.1 кДж/моль (табл.).
В целом с ростом температуры повышалась скорость окисления образцов сплавов (табл. 1). Однако дальнейшее окисление рассматриваемых сплавов протекало, по-видимому, по разным механизмам. Для сплава с 0.2 и 0.5 масс.% иттрия наблюдалась явная тенденция к повышению скорости окисления и после 15 мин от начала окисления она становилась близкой к нулю.
Таблица
Кинетические и энергетические параметры процесса окисления сплава АМг2, легированного иттрием
в твёрдом состоянии
Содержание Y в сплаве АМг2, масс.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления К.10-4, кг м-2.с-1 Кажущаяся энергия активации окисления, кДж/моль
0.0 673 2.91 39.3
773 3.33
873 3.83
0.03 673 2.50 62.8
773 2.75
873 3.06
0.1 673 2.62 92.1
773 2.81
873 3.12
0.2 673 2.66 80.6
773 3.00
873 3.33
0.5 673 2.92 71.2
773 3.32
873 3.66
Рис. 1. Кинетические кривые окисления сплава ЛМг2 (а), легированного иттрием, масс.%:
0.03(6); 0.1(в); 0.2(г); 0.5(д)
Окисление сплавов проводили в твёрдом состоянии в интервале температур 623...873 К. Приведённые на рис.1 кривые подчиняются уравнению У=Ктп, в котором п меняется от двух до пяти в зависимости от состава окисляемого сплава (табл. 2). Судя по нелинейной зависимости (^)2-х (рис.1 г, д) и данным табл.2, можно заключить, что характер окисления сплавов подчиняется гиперболической зависимости.
Таблица 2
Результаты обработки кривых окисления сплава АМг2, легированного иттрием
Содержание иттрия в сплаве АМг2, масс.% Температура окисления, К Уравнения кривых окисления Коэффициент регрессии, R
0.0 673 773 873 y=-2E-06x5+0.000x4-0.004x3+0.045x2-0.030x +0.265 y=-2E-06x5+0.000x4-0.004x3+0.054x2-0.048x +0.333 y=-3E-06x5+0.000x4-0.006x3+0.069x2-0.089x +0.408 0.997 0.997 0.996
0.03 673 773 873 y=-1E-06x5+9E-05x4-0.002x3+0.017x2+ 0.096x +0.010 y=-1E-06x5+9E-05x4-0.002x3+0.019x2+ 0.10^ +0.011 y=-1E-06x5+8E-05x4-0.002x3+0.021x2+ 0.100x +0.020 0.996 0.996 0.996
Содержание иттрия в сплаве АМг2, масс.% Температура окисления, К Уравнения кривых окисления Коэффициент регрессии, R
0.1 673 773 873 у=-1Е-06х5+8Е-05х4-0.002х3+0.017х2+ 0.099х +0.011 у=-1Е-06х5+9Е-05х4-0.002х3+0.019х2+ 0.105х +0.012 у=-8Е-07х5+7Е-05х4-0.002х3+0.022х2+0.099х +0.029 0.996 0.997 0.995
0.2 673 773 873 у=-5Е-07х5+7Е-05х4-0.002х3+0.044х2-0.069х +0.046 у=-1Е-06х5+0.000х4-0.005х3+0.071х2-0.167х +0.201 у=-3Е-06х5+0.000х4-0.007х3+0.102х2-0.286х +0.428 0.999 0.997 0.999
0.5 673 773 873 у=-3Е-06х5+0.000х4-0.009х3+0.139х2-0.529х +0.707 у=-3Е-06х5+0.000х4-0.011х3+0.173х2-0.707х +0.984 у=-8Е-06х5+0.000х4-0.022х3+0.298х2-1.178х +1.611 0.996 0.994 0.996
Изохроны окисления сплавов, соответствующие температуре 873 К, приведены на рис. 2. Отмечается тенденция к уменьшению скорости окисления по мере увеличения содержания иттрия до 0.1 масс.%, что соответствует энергии активации.
КТ \1
О И-1-1-1-1-1-1
АМг2 ОД 0.2 0.3 0.4 0,5 0.6
масс.% У
Рис. 2. Изохроны окисления сплава АМг2, легированного иттрием, при 873 К.
Поступило 20.05.2013 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоусова Б.Ш., Денисов В. М., Истомин С. А. и др. Взаимодействие жидких металлов и сплавов с кислородом. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002, 600 с.
2. Денисов В.М., Пингин В.В., Тимофеева Л. Т. и др. Алюминий и его сплавы в жидком состоянии. -Екатеринбург: УрО РАН, 2005, 268 с.
3. Нарзиев Б.Ш., Ганиев И.Н., Эшов Б.Б. Окисление твёрдого алюминиево- магниевого сплава А1 + 0.2% М§, легированного лантаном. - Материалы VI Нумановских чтений. - Душанбе: Дониш, 2009,с.162-164.
Н.Ф.Иброхимов, Н.И.Ганиева*, А.Э.Бердиев*, И.Н.Ганиев
ТАЪСИРИ ИТТРИЙ БА КИНЕТИКАИ ОКСИДШАВИИ ХУЛАМ САХТИ
AMR2
Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.Осими, Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон
Дар макола бо усули термогравиметрй таъсири иттрий ба оксидшавии хулаи AMr2, дар оксигени хдво дар худуди 673...873 К оварда шудааст. Нишон дода шудааст, ки иловаи иттрий то 0.1 хдссаи масса суръати оксидшавиро кам менамояд, ки ин бо зиёдшавии энергияи фаъолй раванди оксидшавй аз 39.3 то 92.1 кДж/мол мегузарад.
Калима^ои калиди: хулаи AMr2 - иттрий - усули термогравиметрй - кинетикаи оксидшавй -суръати %ацщии оксидшавй - энергияи фаъол.
N.F.Ibrohimov, N.I.Ganieva, A.E.Berdiev*, I.N.Ganiev* INFLUENCE OF YTTRIUM ON THE OXIDATION KINETICS HARD ALLOY
АMR2
Academician M.Osimi Tajik Technical University, V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan Thermogravimetric method investigated the interaction of the alloy Al +2.0% Mg, containing yttrium with oxygen in the range of 673... 873 K, calculated apparent activation energy of the oxidation process. Yttrium additions to 0.1 wt.%. Decrease the rate of oxidation, which is accompanied by an increase of the apparent activation energy of the oxidation of 39.3 to 92.1 kJ/mol.
Key words: alloy AMr2 - yttrium - thermogravimetric method - oxidation kinetics - the true rate of oxidation - the activation energy.
