Механохимические реакции при шаровом помоле смесей компонентов в системе Fe-Al-Si Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

/ © I

Рис. 3. Схема положения и направления приповерхностных вихрей (осевая симметрия) при полном проплавлении стали 40Х13Н

Вид зависимости аспектного отношения (рис. 2) от плотности мощности качественно можно объяснить следующим образом. Воздействие низкими интенсивностями на поверхность мишени приводит к появлению широкой и неглубокой ванны расплава, градиент температуры на поверхности расплава составляет порядка ~104 К-см-1, при этом в массоперенос вовлечено незначительное количество расплава (только приповерхностная область), поэтому при низких интенсивностях лазерного излучения преобладают поверхностные силы. При увеличении плотности мощности лазерного излучения диаметр кратера на лицевой стороне уменьшается, градиент температуры увеличивается до ~105 К-см-1, вместе с этим в массоперенос вовлечено значительное количество расплавленного материала это приводит к уменьшению вклада поверхностной силы и увеличению влияния объемных сил (силы плавучести) в вихреобразование в объеме расплава. По-видимому, конкуренция этих механизмов приводит к нелинейной зависимости аспектного отношения от плотности мощности.

Образование пор в канале проплава, по-видимому, связано с образованием усадочной раковины.

Таким образом, появление вихрей около периферии сопровождается эффективным расплавлением твердого вещества и увеличением размеров кратера при этом кратер является более широким по сравнению с «шейкой» канала. Нелинейная зависимость аспектного отношения от плотности мощности обусловлена конкуренцией поверхностных сил и объемных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стали и сплавы. Марочник / под ред. В.Г. Сорокина. М.: «Интер-мет Инжиниринг», 2001. 608 с.

2. Федоров В.А., Кузнецов ПМ., Яковлев А.В. Формирование рельефа на поверхности сплава Fe-Si в зоне воздействия лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 2013. № 1. C. 24-28.

3. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959. 699 с.

4. Kou S. Welding metallurgy. N. J.: John Wiley & Sons. Inc. Hoboken, 2003. 461 p.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-01-97514 р_центр_а) и госзадния № 1.691.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kuznetsov P.M., Feodorov V.A., Tikhomirov M.Y. FEATURES OF CHANNEL PENETRATION BY LASER RADIATION ON SURFACE OF STEEL PLATES 40H13N

The features of the fusion plates steel 40H13N after exposure to pulsed laser radiation are considered. A mechanism of mass-and heat transfer in the melt is proposed.

Key words: melt thermo-capillary flow; laser radiation; aspect ratio.

УДК 544.022.2

МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПРИ ШАРОВОМ ПОМОЛЕ СМЕСЕЙ КОМПОНЕНТОВ В СИСТЕМЕ Ре-А1-81

© Л.М. Кубалова, В.И. Фадеева

Ключевые слова: сплавы Ее-А1^ц механическое сплавление; упорядоченные и неупорядоченные твердые растворы. Исследованы механохимические реакции образования сплавов Ее50А150_^, (х = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50) под действием динамической деформации при шаровом помоле смесей Ее, А1, Si. Синтезированные сплавы метаста-бильны и содержат ОЦК твердый раствор Ее(А1^) со структурой В2 и гцк фазу ЕeSi (В20). Степень порядка В2 зависит от продолжительности помола и содержания Si.

К числу нанотехнологий, интенсивно развиваемых в последние годы, принадлежит механохимический синтез порошковых сплавов, называемый механическим сплавлением (МС). Этот процесс представляет собой твердофазное взаимодействие компонентов под действием динамической деформации при помоле смесей порошков.

Были синтезированы сплавы Ее^А^о-Х?^ (х = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50), принадлежащие квазибинарному разрезу ЕeA1-ЕeSi равновесной диаграммы Ее-А1^ [1]. МС происходило при помоле смесей Ее, А1 и Si со средним размером частиц 40-100 мкм и чистотой Ее и А1 не менее 99,9 % и Si-99,98 % в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице МАПФ-2М с водяным охлаждением в атмосфере аргона. Взаимодействие

1787

компонентов проходит под действием холодной пластической деформации [2], что дополнительно обеспечивается 3-минутной цикличностью помола. Продукты помола исследовали методами рентгеновской дифракто-метрии и Мессбауэровской спектроскопии.

Рис. 1. Дифрактограммы сплавов Бе50А150_,г81г после 3,5 ч МС

На рис. 1 приведены дифрактограммы сплавов после 3,5 ч помола, когда закончился процесс твердофазного взаимодействия между компонентами. Сплав состава Ре50А150 содержал неупорядоченный оцк твердый раствор Бе(А1), являющийся метастабильной фазой. В присутствии 5-20 ат. % 8і в оцк твердом растворе Бе(А1,8і) наблюдается образование частичного дальнего порядка по типу В2. При содержании 8і > 25 ат. % наряду с ОЦК В2 фазой в сплаве образовалась гцк фаза со структурой В20, соответствующая силициду Бе8і. Однофазный сплав, содержащий Бе8і, образовался уже после 1,5 ч помола смеси Бе508150.

а_ нм

0,292

- mu "V s ІВ2+В2СІ j*

ЕЗІ, ат %

Рис. 2. Зависимость параметра решетки а и степени дальнего порядка 8 ОЦК твердого раствора от содержания 8і в сплавах Бе50А150-,*8іг, полученных после 3,5 ч МС

При сопоставлении параметров субструктуры оцк твердых растворов в сплавах Ре50А150-І8іІ отмечается монотонное уменьшение среднего размера блоков мозаики от 13-15 нм для Ре50А150 до 6 нм для сплава Ре50А1208і30. Величина остаточной микродеформации

1788

меняется немонотонно от 0,5 % до максимального значения 1,2-1,3 % вблизи границы образования двухфазного сплава (25 ат. % 8і), содержащего оцк и гцк фазы.

Из схемы на рис. 2 видно, как влияет содержание кремния на формирование неупорядоченных и упорядоченных фаз. Было установлено, что с увеличением продолжительности помола образование В2 фазы смещается в область составов с меньшим содержанием 8і. После 3,5 ч МС в двух составах с 25 и 30 ат. % 8і присутствуют фазы Бе(А1,8і) и Бе8і. Доля упорядоченных областей в оцк твердом растворе невелика, на что указывают сравнительно невысокие значения степени дальнего порядка (рис. 2).

Рис. 3. Мессбауэровский спектр сплава Fe50Al25Si25 после

3.5 ч МС

Мессбауэровский спектр сплава Fe50Al25Si25 после

3.5 ч МС визуально представляет собой уширенный синглет - суперпозицию синглета с изомерным сдвигом 8 = 0,23 мм/с и шириной Г = 0,51 мм/с и дублета с 8 = 0,22 мм/с, квадрупольным расщеплением ДЕ = = 0,53 мм/с и шириной Г = 0,99 мм/с. Оба подспектра характеризуют парамагнитные фазы со структурой FeAl1-xSix (В2) и FeSi (В20) [3].

Из схемы на рис. 2 видна тенденция формирования при МС сплавов, содержащих равновесные фазы. Однако в целом синтезированные сплавы остаются мета-стабильными, т. к. в условиях динамической деформации процессы дефектообразования и деформационного разрушения химических связей в образовавшихся фазах препятствуют стабилизации структур.

ЛИТЕРАТУРА

1. Li Y., Ochin P., Quivy A., Telolahy P., Legendre B. Enthalpy of formation of Al-Fe-Si alloys (T5, T10, ть T9) // J. Alloys and Compounds. 2000. V. 298. P. 198-202.

2. Бутягин П.Ю. Проблемы и перспективы развития механохимии // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 12. С. 1031-1043.

3. Johnson C.E., Ridont M.S., Granshaw T.E. The Mossbauer effect in Iron-Aluminum Alloys // Proc. Phys. Soc. 1963. V. 81. P. 1079-1090.

БЛАГОДАРНОСТИ: Часть исследования выполнена в НОЦ естественных наук ФГБОУ ВПО «СевероОсетинский государственный университет им. Коста Левановича Хетагурова».

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kubalova L.M., Fadeyeva V.I. MECHANICAL AND CHEMICAL REACTIONS IN Fe-Al-Si SYSTEM DURING BALL MILLING OF COMPONENTS MIXTURES

Mechanical and chemical reactions of Fe50Al50-xSix (x = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50) alloys formation under the action of dynamic deformation during the ball milling of Fe, Al, Si mixtures are