Особливості структуроутворення та кристалізації високоентропійних сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості структуроутворення та кристалізації високоентропійних сплавів

О.А. Щерецький, доктор технічних наук

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ

Досліджено особливості плавки та кристалізації двох високоентропійних багатокомпонентних сплавів: Al14Cu14Ti14Zr16Ni14Cr14Y14, Cu17Ti17Zr17Ni17Cr17Y15. Встановлені їх термофізичні характеристики. Одержані сплави мають широкий інтервал плавлення та кристалізації. Структура сплавів складається з суміші твердих розчинів, кожен з яких містить усі легуючі елементи, але в різному співвідношенні.

Исследованы особенности плавки и кристаллизации двух высокоэнтропийных многокомпонентных сплавов: Al14Cu14Ti14Zr16Ni14Cr14Y14, Cu17Ti17Zr17Ni17Cr17Y15. Установлены их термофизические характеристики. Полученные сплавы имеют широкий интервал плавления и кристаллизации. Структура сплавов состоит из смеси твердых растворов каждый из которых содержит все лгегирующие элементы, но в разном соотношении.

Як відомо, вірогідність утворення тієї чи іншої фази в сплаві, при постійному тиску і температурі, визначається з умов мінімуму вільної енергії системи (утворюються ті фази, які в даних умовах мають мінімальну вільну енергію Гіббса), яка визначається

ДG = ДН - ТДS, (1)

де ДG - зміна енергії Гіббса в результаті того чи іншого процесу, ДН - зміна ентальпії процесу, Т - абсолютна температура, ДS - зміна ентропії процесу.

Процес сплавоутворення обумовлений дією двох факторів - ентальпійного (ДН) і ентропійного (ТДS). Ентальпія це - теплота, яка виділяється чи поглинається при утворенні фаз в результаті взаємодії в системі. Ентропія - термодинамічна функція, що характеризує міру невпорядкованості термодинамічної системи, тобто неоднорідність розташування її складових.

Таким чином можливо розглядати дві групи сплавів:

1. Сплави для яких визначальним є ентальпійний фактор. Це всі відомі нам традиційні сплави, які містять основу - 1-2 елемента і 4-5 легуючих компонента. Структура таких сплавів складається із декілька фаз твердих розчинів, інтерметалідів, евтектики. Переважна більшість традиційних сплавів насьогодні достатньо добре досліджена та встановлені закономірності їх сплавоутворення.

2. Сплави для яких визначальним є ентропійний фактор (високоентропійні сплави). Такі сплави вперше були одержані в 2003 р. [1] і характеризуються високою єнтропією утворення. Вони не підпорядковуються діаграмам стану та загальновідомим закономірностям для традиційних сплавів. Структура таких сплавів складається з одного або кількох твердих розчинів заміщення. Інтерметалідні, первинні та кристалізаційні фази відсутні. Високоентропійні сплави (ВЕС) характеризуються:

· високими фізико-механічними характеристика (значно вищими, ніж в традиційних сплавах);

· термодинамічною стабільністю всіх властивостей механічних, фізичних, хімічних;

· високою жароміцністю.

Насьогодні високоентропійні сплави практично не вивчені та не встановлені закономірності їх сплавоутворення, в літературі зустрічаються тільки окремі роботи [1 - 3].

Для розробки складів ВЕС можливо використати відоме рівняння

Л. Больцмана

, (2)

де ДSmix - ентропія утворення (змішування) сплаву з чистих компонентів, R - універсальна газова стала, с - концентрація компонентів в атомних долях, n - кількість компонентів в сплаві.

Як видно з рівняння, ентропія утворення сплаву залежить від кількості та концентрації компонентів та максимальна при еквіатомному вмісті елементів, для цього випадку:

.

Так для сплаву А25Б25В25Г25, де концентрація елементів вказана в атомних процентах, ентропія змішування дорівнює:

Дж/моль*К.

структуроутворення кристалізація високоентропійний сплав

Це досить наближене визначення ентропії змішування, так як рівняння
Л. Больцмана було одержане для ідеальних систем і не враховує багатьох факторів, але для відносного порівняння ентропії сплавів його можливо використовувати. Наприклад, для сплаву АК 12 ентропія утворення, згідно розрахунку за цим рівнянням, складає 3,7 Дж/моль*К.

Метою донної роботи було дослідження можливості одержання високоентропійних сплавів та вивчення їх мікроструктури та термофізичних властивостей.

Для дослідження особливостей структуроутворення та кристалізації ВЕС було виплавлено два сплави: сплав № 1: Al14Cu14Ti14Zr16Ni14Cr14Y14 склад (по масі): Al - 6,1%; Cu - 14,4%; Ti - 10,8%; Zr - 23,6%; Ni - 13,3%;

Cr - 11,7%; Y - 20,1%; сплав № 2: Cu17Ti17Zr17Ni17Cr17Y15 склад (по масі):

Cu - 16,0%; Ti - 12,1%; Zr - 23,0%; Ni - 14,8%; Cr - 13,0%; Y - 21,1%.

Ентропія змішування сплавів складає: для сплаву № 1 - 14,9 Дж/моль*К, для сплаву № 2 - 16,18 Дж/моль*К, що в декілька разів більше, ніж для традиційних сплавів.

Сплави були виплавлені з високочистих компонентів в вакуумній дуговій печі з вольфрамовим електродом в середовищі очищеного аргону на мідній водоохолоджуваній подині в лунці, що мала геометрію півсфери. Швидкість охолодження розплаву складала приблизно 500 °С/с. Для забезпечення гомогенності сплаву його переплавляли шість разів. Зливки мали блискучу поверхню, не різались ножовочним полотном для металу, але розбились молотком. Колір зламів рівномірний без видимих включень та газових пухирів, що свідчить про гомогенність сплаву.

Згідно діаграм стану [4] виплавлені сплави повинен були складатися з суміші різних подвійних та потрійних інтерметалідів, яких відповідно до складу сплавів могло бути більше 10. Металографічні дослідження одержаних сплавів дали зовсім інший результат: структура сплавів складається з суміші двох твердих розчинів, інтерметалідні, первинні та кристалізаційні фази відсутні.

Мікроструктура сплавів наведена на рис. 1. Сплав № 1 - двофазний, близький до евтектичного, світла фаза знаходиться в осях дендритів, дисперсна темна фаза - в міждендритному просторі. Сплав № 2 - двофазний з рівномірним розподіленням фаз. Проведені електронно-мікроскопічні дослідження (SEM, SUPERPROBE-733) одержаних сплавів рис. 2. Методом мікрозондового аналізу встановлений хімічний склад фаз, таблиця 1. Всі фази як в сплаві № 1, так і в сплаві № 2 містять всі легуючі елементи, тобто ми маємо суміш твердих розчинів з різним співвідношенням компонентів. Світла фаза збагачена міддю та ітрієм, темна - цирконієм титаном та хромом, що підтверджує розподіл елементів по фазам (рис. 2).

Таблиця 1

Фазовий склад сплавів

Термофізичні характеристики сплавів досліджували за допомогою термоаналізатора STA 449 F1 фірми NETZSCH, Германія. Результати досліджень наведені на рис. 3, 4 та табл. 2.

Таблиця 2

Теплофізичні характеристики одержаних сплавів

Плавлення обох сплавів відбувається в два етапи: на першому етапі плавиться легкоплавка евтектика, а потім в широкому температурному інтервалі плавиться суміш твердих розчинів.

Таким чином, одержано два високоентропійних багатокомпонентних сплави: Al14Cu14Ti14Zr16Ni14Cr14Y14, Cu17Ti17Zr17Ni17Cr17Y15 та досліджено їх структуру та термофізичні властивості. Встановлено, що сплави не підпорядковуються діаграмам стану (інтерметалідних сполук не утворюється). Структура сплавів складається з суміші твердих розчинів одного хімічного складу, але з різним співвідношенням компонентів. Одержані сплави мають широкий інтервал кристалізації 553,3 °С, 512,6 °С відповідно для сплавів 1 та 2.

Література

1. Ranganathan S. Alloyed pleasures: Multimetallic cocktails. // Current Science. - 2003. - 85, No. 10. - P. 1404 - 1406.

2. Yeh J. W., Chen Y. L., Lin S. J. High-entropy alloys - a new era of exploitation. // Mater. Science Forum. - 2007. - 560. - P. 1 - 9.

3. Zhang Y., Zhou Y. J. Solid solution formation criteria for high entropy alloys. // Ibid. - 2007. - 561 - 565. - P. 1337 - 1339.

4. Барабаш О. М., Коваль Ю. Н. Структура и свойства металлов и сплавов: (Справ.). Кристаллическая структура металлов и сплавов. - К.: Наук. думка, 1986. - 598 с.

Размещено на Allbest.ru