CC BY
237
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 54-19
А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков
СИНТЕЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА FesAl
Ключевые слова: интерметаллиды, алюминиды железа, искровое плазменное спекание. intermetallic, iron aluminide, spark plasma sintering
Для синтеза интерметаллида Fe3Al предложено использовать искровое плазменное спекание дисперсных прекурсоров, содержащих элементные железо и алюминий, полученных электрохимическим методом.
The iron aluminide Fe3Al was obtained by Fe-Al powders spark plasma sintering. The synthesis a Fe-Al powders based on electrochemical reduction process of Fe(III) by suspended aluminium particles
Сплавы на основе алюминидов железа относятся к новому классу особолегких перспективных конструкционных материалов, предназначенных для работы при температурах до 680°С, превышающих рабочие температуры эксплуатации титановых суперсплавов (<600°С). Сплавы на основе алюминидов железа FeAl и FesAl, характеризуются низкой стоимостью, хорошим сопротивлением коррозии и окислению, износу [1].
Сплавы на основе алюминидов железа находят применение в автомобилестроении как заменители нержавеющей стали в выхлопных системах, также перспективны для производства отдельных узлов и дисков газовых турбин, работающих при температурах 630-680°С [2], в качестве материалов для роликов транспортера горячекатанной стальной полосы. Материалы на основе алюминидов железа FeAl находят применение и в качестве резистивных нагревательных элементов, поскольку обладают достаточной прочностью, пластичностью и высоким удельным сопротивлением [3].
Образование оксидов алюминия в системах Fe-Al обеспечивает последним хорошую устойчивость к окислению [4-6]. Эрозионно-коррозионное поведение сплавов на основе FesAl сравнивалось с таковыми у сплавов Ni и Co [7]. Результаты исследования показали, что сопротивление эрозии сплавов на основе FesAl намного лучше, чем сплавов Ni и Co в температурном диапазоне 600-800°C, причем их коррозия при этом была незначительной.
Отличная коррозионная и окислительная стойкость алюминидов железа позволяет применять их в качестве покрытий [8].
Для получения композиционных материалов на основе железоалюминиевых сплавов из порошков используют следующие методы: горячее изостатическое прессование и спекание в вакууме [9], дуговое и плазменное распыление [10,11], самораспространяю-щийся высокотемпературный синтез [12,13], импульсное лазерное испарение с последующей конденсацией [14,15]. Однако приведенные способы многостадийны и сложны, что приводит к удорожанию материалов и снижению эффективности их применения.
Более оптимальным представляется получение прекурсоров интерметаллических систем из водных растворов электрохимическими и химическими методами с последующим искровым плазменным спеканием (Spark Plasma Sintering - SPS).
БРБ-процесс основан на электрическом искровом разряде: высокоэнергетическая импульсная искра на мгновение генерирует искровую плазму при высоких локализованных температурах до 10000°С. Температуры БРБ-спекания на 200-500 °С ниже, чем при традиционном спекании. Парообразование, плавление и спекание происходит за короткий период времени - приблизительно 5-20 минут, включая нагрев и продолжительность выдержки при данной температуре.
Диаграмма состояния системы Ре-Д! характеризуется наличием нескольких металлических соединений: РезД!, РеД!2, Ре2Д!5, РеД!з и ограниченных твердых растворов как со стороны Ре, так и Д!. Со стороны Ре имеет место значительная по протяженности область твердых растворов Д! в а-Ре с ОЦК решеткой. Область твердых растворов на основе Y-Рe с ГЦК решеткой является замкнутой и небольшой по протяженности.
В данном исследовании образцы, содержащие элементные а-Ре и Д!, получали электрохимическим способом и далее проводили БРБ - обработку. Химический и фазовый состав, тонкую структуру железоалюминиевых систем определяли методом рентгеновской дифрактометрии. Характерные дифрактограммы образцов приведены на рис.1. Первая ди-фрактограмма, характеризуется широкими пиками и соответствует прекурсору, полученному в растворе электрохимическим методом (образец 1). Вторая дифрактограмма характеризуется узкими пиками, указывающими на присутствие хорошо окристаллизованных фаз, присутствующих в термически обработанном образце 2.
Согласно данным рентгенофазового анализа (табл.1), исходный образец 1 представляет собой механическую смесь а-Ре и Д!, а спеченный образец 2 состоит из РезД! и а-Ре. Это свидетельствует о твердофазном процессе образования интерметаллической фазы из элементных металлов. Наличие остаточного а-Ре и практически полное отсутствие алюминия в образце 2 указывает на возможность увеличения доли интерметаллической фазы (вплоть до 100%) путем подбора оптимального соотношения а-Ре и Д! в прекурсоре.
Таблица 1 - Результаты рентгеновского структурно-фазового анализа
№ образца Фазовый состав Содержание фаз, % масс. Параметр кристаллической решетки, нм Размер ОКР, нм Микро- напряжение
1 а-Ре 92,3 0,28664 74,4 1,7-10-3
АІ 7,7 0,40488 214,7 1,9-10-7
а-Ре 15,1 0,28728 55,7 8,7-10-5
2 РезАІ 84,9 0,58144 61,9 2,4-10-4
АІ 0,0 - - -
Согласно работе [16] переход а-Ре/РезД! является реакцией упорядочения первого порядка. Из таблицы 1 видно, что горячее изотермическое прессование приводит к уменьшению размера кристаллита а-Ре (в ~1,3 раза) и снижению микронапряжения (в ~20 раз), практически не влияя на постоянную решётки а-Ре.
Выход РезД! может быть повышен путем изменения соотношения а-Ре и Д! в об-разце-предшественнике, а также режима спекания.
Рис. 1 - Дифрактограммы железо-алюминиевого прекурсора (а) и спеченного образца (б)
Экспериментальная часть
Синтез железо-алюминиевого прекурсора (образец 1) основан на электрохимическом процессе восстановления ионов железа(ІІІ) на суспендированной в раствор алюминиевой подложке [17].
Образец 2 был получен путем искрового плазменного спекания (8Р8) на установке 8Р8-5118 (Япония) при следующих режимах: давление прессования - 50 МПа; время выдержки под давлением - 5 мин; температура нагрева - 1000°С; время нагрева - 12 мин.
Полученные объекты анализировали на предмет химического и фазового состава с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7. С целью уменьшения фона от рассеяния первичного пучка рентгеновских лучей на воздухе, использовалось длинноволновое излучение РеКа с Р-
фильтром. Режим записи дифрактограмм был следующий: напряжение 30 кВ и ток 15 мА, щели гониометра составляли 1-1-18 мм2, а диапазон углов записи 2S составлял от 20 до 160 градусов. Пробоподготовка заключалась в переводе компактных образцов в порошкообразную форму.
Дифрактограммы обрабатывали с помощью многофункционального программного продукта MAUD 1.85. В качестве эталона для сравнения профилей линий (для определения размеров областей когерентного рассеяния и микронапряжений) использовали отожженную медную фольгу.
Исследование выполнено в рамках госконтракта № 02.740.11.0130 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиастроения, химической промышленности и стройиндустрии».
Литература
1. Дресвянников, А.Ф. Физикохимия наноструктурированных алюминийсодержащих материалов / А.Ф. Дресвянников, И.О. Григорьева, М.Е. Колпаков. - Казань: Изд-во «Фэн» АН РТ, 2007. - 358 с.
2. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.
3. Lilly, A.C. Electrical properties of iron aluminides / A.C. Lilly, S.C. Deevi, Z. Gibbs // Mater. Sci. Eng. - 1998. - Vol.258, №1-2. - P.42-49.
4. Dang Ngoc Chan, C. High temperature corrosion of some B2 iron aluminides / C. Dang Ngoc Chan,
C. Huvier, J.F. Dinhut // Intermetallics. - 2001. - Vol.9, №9. - P.817-826.
5. Ul-Hamid, A. A TEM study of the oxide scale development in Ni—Cr—Al alloys // Corrosion Science. -2004. - Vol.46, №1. - P.27-36.
6. Velon, A. Oxidation Behavior of Ni3Al and РвзА1: II. Early Stage of Oxide Growth / A. Velon, I. Ole-fjord // Oxidation of Metals. - 2001. - Vol.56, №5-6. - P.425-452.
7. Yu, X.Q. The erosion-corrosion behavior of some Fe3Al-based alloys at high temperatures / X.Q. Yu, M. Fan, Y.S. Sun // Wear. - 2002. - Vol.253, №5-6. - P.604-609.
8. Alman, D.E. Wear of iron-aluminide intermetallic-based alloys and composites by hard particles /
D.E. Alman [et al.] // Wear. - 2001. -Vol.251, №1-12. - P.875-884.
9. Rawers, J.C. Tensile fracture iron-iron aluminide foil composites // Scripta Metallurgica et Materialia. - 1994. - Vol.30, №6. - P.701-706.
10. Liu, T. Preparation and characteristics of Fe3Al nanoparticles by hydrogen plasma-metal reaction / T. Liu, Y. Leng, X. Li // Solid State Communications. - 2003. - Vol.125, №7-8. - P.391-394.
11. Lawrynowicz, D.E. Spray atomization and deposition of fiber reinforced intermetllic matrix composites / D.E. Lawrynowicz, E.J. Lavernia // Scripta Metallurgica et Materialia. - 1994. - Vol.31, №9. - P.1277-1281.
12. Godlewska, E. FeAl materials from intermetallic powders / E. Godlewska, S. Szczepanik, R. Mania, J. Krawiarzand, S. Kozinski // Intermetallics. - 2003. - Vol.11, №4. - P.307-312.
13. Мягков, В.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез и твердофазные реакции в двухслойных тонких пленках / В.Г. Мягков [и др.]// Журнал технической физики. - 1998. - Т.68, №10. - С.58-62.
14. Pithawalla, Y.B. Synthesis and characterization of nanocrystalline iron aluminide particles / Y.B. Pi-thawalla, M.S. El Shall, S.C. Deevi // Intermetallics. - 2000. - Vol.8, №9-11. - P.1225-1231.
15. Tomida, S. Fe-Al composite layers on aluminum alloy formed by laser surface alloy iron powder / S. Tomida, K. Nakata // Surface and Coatings Technology. - 2003. - Vol.174-175, №1. - P.559-563.
16. Кубашевски, О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа / О. Кубашевски; Под ред. Л. А. Петровой. - М.: Металлургия, 1985. - 184 с.
17. Дресвянников, А.Ф. Получение железоалюминиевых порошков из водных растворов и их физико-химические свойства / А.Ф. Дресвянников, М.Е. Колпаков, О.А. Лапина // ЖПХ. - 2007. -Т.80, №1. - С.9-14.
© А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, [email protected]; М. Е. Колпаков - канд. хим. наук, доц. той же кафедры, [email protected].
