Синтез наноразмерных частиц интерметаллических соединений Sc, Zr и Hf в алюминиевой матрице методом высокотемпературных обменных реакций инжекцией фторидно-хлоридных солевых смесей

Синтез наноразмерных частиц интерметаллических соединений Sc, Zr и Hf в алюминиевой матрице методом высокотемпературных обменных реакций инжекцией фторидно-хлоридных солевых смесей

Скачков В.М., Пасечник Л.А., Пягай И.Н., Яценко С.П.

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург

Легкие сплавы на основе алюминия и особенно системы Al-Mg, содержащие переходные металлы (ПМ), такие как скандий, цирконий, а также гафний интенсивно исследуются с целью дальнейшего улучшения их свойств, в том числе и путем повышения содержания ПМ и уменьшения размеров частиц интерметаллических соединений (ИМС) в сплавах. Повышенное содержание легирующего компонента в матрице жидкого сплава приводит к образованию крупных кристаллов ИМС, а интенсивные вибрационные нагрузки в период эксплуатации изделий, содержащие укрупненные частицы, приводят к образованию на них трещин и выходу из строя оборудования.

Управление размерами и формой ИМС позволит создавать алюминиевые сплавы с более высокими характеристиками и большей надежностью при критических нагрузках и длительностью сроков эксплуатации.

В сообщении представлены результаты по отделению крупных ИМС и шлаков из жидких сплавов алюминия со скандием, цирконием и гафнием путем фильтрации и центрифугирования. Введение расчетных количеств ПМ (до 10 мас.%) проводили путем высокотемпературных обменных реакций алюминия с соответствующими фторидно-хлоридными расплавами при температурах 800-850°С, смесь солей подавалась инжекционным методом с использованием в качестве газа-транспортировщика СО₂. В зависимости от введенного в алюминий ПМ и условий проведения эксперимента значительно менялась крупность ИМС и количество попавшего в расплав шлака. Фильтрование расплава проводили используя графитизированные войлок (ВИТ-1) и ткань (ТГН-2М), пластины из кварца и глинозема с условным диаметром пор ~50-100 мкм. Процесс фильтрования снижает содержание взвеси в расплаве и улавливает оксидные пленки, обогащенные примесями, в частности натрием. Центрифугирование осуществляли при скоростях от 500 до 3000 об/мин в алундовых тиглях. Для сопоставления результатов микроскопических определений крупности ИМС с расчетными значениями по закону Стокса пикнометрическим методом были определены плотности Al₃Ме. Значения плотности равны соответственно г/см³: Al₃Sc – 3.00, Al₃Zr – 4.10, Al₃Hf – 6.18. Неизоморфные алюминию Al₃Zr и Al₃Hf при нахождении в контакте с кристаллами алюминия изменяют строение своего поверхностного слоя, приспосабливаясь к строению матрицы. В результате центрифугирования диаметр мельчайших частиц включений в объем слитка достигает величин 400-500 нм, что согласуется с расчетами по уравнению Стокса. В осадке на дне тигля наблюдаются крупные образования, а для высоких концентраций легирующего компонента кроме округлых форм, видны соединения в виде игл. Длительная выдержка расплава при температуре на 100°С выше плавления при последующей кристаллизации расплава приводит к укрупнению зерен.

В результате исследований выявлено, что в зависимости от исходной концентрации легирующего компонента могут образовываться крупные частицы ИМС, растворение которых при температуре введения лигатуры в сплав происходит медленно. Выделение включений в малую область осадка возможно уже при скоростях вращения 1000 об/мин. Шлаковые включения при введении циркония и гафния путем высокотемпературных обменных реакций солевого расплава с алюминием также попадают на дно. Грубую очистку алюминия от взвешенных частиц примесей можно осуществлять в отстойных или проливных центрифугах. При скоростях центрифугирования 3000 об/мин диаметр мельчайших частиц включений, удаляемых из расплава зависит от плотности и их формы при прочих равных условиях ведения процесса, и достигает величины 400-500 нм. После удаления крупных частиц в объеме затвердевшего сплава можно наблюдать ИМС размерами меньше 100 нм. Метод центрифугирования можно использовать для анализа частиц в расплаве, определения растворимости фаз и кинетики крупности частиц в зависимости от температуры расплава.

Работа поддержана грантами РФФИ № 09-03-12015-офи_м и 10-03-96039-р_урал_а.