Фазообразование при алюминотермическом восстановлении Ti, Nb, Gd (Y) из оксидов

Номер выпуска 2 от 01.02.2023

Сплавы на основе титана и алюминия с добавками ниобия и редкоземельных металлов (РЗМ) обладают уникальными механическими и жаропрочными свойствами, также вероятна повышенная коррозионная стойкость таких сплавов. Методом термодинамического моделирования с использованием программы HSC изучена система с расходом алюминия, варьирующимся в интервале от 0 до 100% к массе исходной шихты. Исследованы особенности фазообразования в системах Al–[50TiO₂–5Nb₂O₅–1Y₂O₃ (Gd₂O₃)]. Расчет теплового баланса процесса при 1600°C и расходе 44% Al составил – 0.196 МДж на 1 кг шихты, что указывает на возможность его протекания только за счет реализации алюминотермических реакций. Восстановление титана и ниобия может протекать по реакциям через образование их оксидов низшей валентности – TiO, NbO₂, NbO. Алюминотермическое восстановление гадолиния термодинамически возможно только при температурах менее 1200°C. Восстановление иттрия через взаимодействие Y₂O₃ с алюминием c образованием соединений AlY, Al₂Y₃ AlY₂ для интервала 1000–1800°C термодинамически невозможно. Результаты термодинамического моделирования взаимодействий хорошо коррелировали с данными дифференциально-термического и рентгенофазового анализов при использовании синхронного термического анализа, выполненного с помощью прибора STA 449 F3 Jupiter (NETZSCH) и дифрактометра XRD-7000 (Shimadzu) с автоматическим программным управлением, соответственно. Найдено, что процесс вступает в активную фазу после появления жидкого алюминия и, видимо, сопровождается экзотермическими эффектами с образованием двойных и тройных интерметаллических соединений алюминия с редкими (Nb, Ti) и редкоземельными (Gd, Y) металлами. Трансформация диоксида титана и пентаоксида ниобия в процессе превращений, вероятно, осуществляется через последовательные и параллельные стадии образования простых и сложных оксидов с низкими степенями окисления. На начальных этапах взаимодействия алюминия с оксидами, в основном, образуются алюминиды ниобия и титана. На последующих стадиях наблюдается формирование более сложных соединений. При температурах выше 1300°C образуются тройные интерметаллические соединения Al₄₃Nb₄Gd₆, Ti₄Al₂₀Gd и Ti₄Al₃Y₆, Al₃Ti, Al_0.23Nb_0.07Ti_0.7. Гадолиний и иттрий в таких системах склонны к образованию сложных интерметаллидов.

54 0

Термохимическое исследование образования силицидов, боридов, карбидов в сплаве Fe–Ni–Cr–Cu–Si–B–C

Номер выпуска 4 от 01.04.2023

Для определения термохимических характеристик: энтальпии, молярной теплоемкости и энергии Гиббса образования силицидов, боридов и карбидов в сплаве заданного состава (40Fe–31Ni–16Cr–5Cu–5Si–2B–1C) использованы расчетные методики с использованием смешанных схем GGA и GGA + U (полуэмпирически настроенные обобщенные градиентные аппроксимации). В исследовании использовались три модуля программного пакета HSC Chemistry 6.0 (Metso Outotec, версия 6.0, Эспоо, Финляндия). Во-первых, модуль “Reaction Equation” (“Уравнения реакций” – расчет термодинамических функций в интервале температур для индивидуальных веществ или химических реакций) использовался для расчета изменения свободной энергии Гиббса при различных температурах. Во-вторых, для расчета состава каждого химического вещества в равновесном состоянии использовался модуль “Equilibrium Composition” (“Равновесные составы” – расчет равновесных составов фаз при наличии обратимых химических реакций). В-третьих, модуль “H, S, C and G diagrams” (“Графики термодинамических функций” – построение графиков термодинамических функций) использовался для определения относительной фазовой стабильности соединений в зависимости от температуры в виде диаграмм Эллингема. Результаты термохимического моделирования показали, что значения теплоемкости образования упрочняющих соединений в сплаве увеличиваются по мере повышения температуры. Термодинамические расчеты энтальпий упрочняющих фаз в сплаве показали, что при температуре >1400°С имеет место образование силицидов, боридов и карбидов. При рассмотрении ∆G(T) силицидов наблюдается рост значений энергии Гиббса и стремление к стабильности с повышением температуры. При образовании боридов в сплаве наблюдается сильное поглощение тепла и увеличение энергии Гиббса в исследованном интервале температур. Результаты расчета энергии Гиббса в зависимости от температуры показали, что будут образовываться карбиды Ni₃C, Fe₃C, SiC, B₄C, Cr₃C₂, Cr₄C, Cr₇C₃. Агрегатное и полиморфные превращения происходят с уменьшением значений энергии Гиббса до температуры ~1500°С. С дальнейшим повышением температуры выявлен эффект поглощения тепловой энергии, которое связано с высокой температурой упорядочения структур карбидов. Таким образом, термохимическим исследованием обоснована возможность образования силицидов, боридов, карбидов в сплаве 40Fe–31Ni–16Cr–5Cu–5Si–2B–1C.

47 0

Наплавление многокомпонентных сплавов, содержащих тугоплавкие металлы

Номер выпуска 1 от 01.01.2024

В работе рассматривается возможность нанесения покрытия Al–Zr–V–Nb в виде порошка с фракцией 0.063 мм и влажностью 0.33%, измеренной с использованием прибора AND MX-50, на подложку из стали 08Х18Н10. Наплавление проводилось при использовании лазерного комплекса в составе источника лазерного излучения ЛС-5 и робота KUKA KR-60 hа в защитной атмосфере аргона. Продувку газом осуществляли перед процессом наплавления 0.3 с и после 1 с. Для надежного скрепления порошка-покрытия (Al–Zr–V–Nb) с поверхностью материала-основы (сталь 08Х18Н10) перед наплавлением на сталь была нанесена смесь порошка с поливиниловым спиртом. Согласно данным, полученным на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO 40, оптимальный режим наплавления порошка Al–Zr–V–Nb на материал основы соответствует мощности в 250 Вт при скорости обработки 0.5 м/с и толщине покрытия 0.6 мм. При более низкой мощности 230 Вт покрытие не может качественно расплавиться, и в связи с этим, происходит недостаточное проплавление металла основы металлом покрытия (адгезия), вследствие чего наблюдается частичное отслоение. Если же увеличить мощность до в 270 Вт, то металл основы и подложки так же отлично взаимодействуют друг с другом и создают прочный монослой покрытия, как и при оптимальном режиме, но при охлаждении, из-за значительной разницы в скоростях охлаждения (пластинка стали 08Х18Н10 не успевает охлаждаться со скоростью материала покрытия), происходит растрескивание и появление микротрещин. Таким образом, возникает необходимость дальнейшего увеличения числа проходов или же дополнительного оплавления для создания надежного покрытия с отсутствием несплошностей и островков. При этом замеры микротвердости по Виккерсу (HV) при наплавке покрытия Al–Zr–V–Nb показали повышение значений более чем в два раза по сравнению с материалом-основой, что является достаточным основанием для использования порошка Al–Zr–V–Nb в качестве упрочняющего покрытия для стали 08Х18Н10.

54 0

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДНО-ФТОРИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ

Номер выпуска 3 от 01.03.2025

В данной работе проведено термодинамическое моделирование и экспериментальное исследование оксидно-фторидной фазы, образующейся при получении высокоэнтропийных тугоплавких, легковесных сплавов системы Al-Ti-Zr-V-Nb методом совместного алюминотермического восстановления из оксидов металлов титана, циркония, ниобия и ванадия. Целью работы было определение оптимальных условий получения таких сплавов и нахождение характеристик фазового разделения. Моделирование показало, что для формирования легковесного и тугоплавкого сплава необходимы температуры не ниже 1600C и содержание алюминия в диапазоне от 15 до 40 атомных процентов. При этом рекомендуется использовать небольшой избыток алюминия в шихте, чтобы обеспечить переход части алюминия в металлическую фазу. Расчёты поверхностного натяжения и плотности показали значительное различие между металлической и оксидно-фторидной фазами, что способствует оседанию металлического расплава на дно тигля и формированию чёткой границы разделения между двумя фазами. Межфазное натяжение в интервале 1000-1600 мДж/м обеспечивает минимальное смачивание металлом шлака и снижает количество неметаллических включений в металле, что положительно влияет на качество конечного продукта. Отмечено, что увеличение числа компонентов в расплаве усложняет подбор эмпирических коэффициентов, что ограничивает точность расчета эмпирическим методом. Химический анализ оксидно-фторидной фазы после эксперимента подтвердил наличие в ней оксидов циркония и титана, которые повышают поверхностное натяжение и плотность по сравнению с расчётными значениями. Тем не менее, эти параметры остаются ниже соответствующих значений металлической фазы, что обеспечивает эффективное разделение фаз и формирование цельного металлического слитка без чрезмерного сцепления с оксидно-фторидной фазой. Полученные результаты демонстрируют перспективность выбранных условий для производства высококачественных высокоэнтропийных сплавов и могут быть использованы для дальнейших оценочных расчётов и оптимизации технологических процессов.

5 0