Зависимость толщины интерметаллида от температуры образования оксидной пленки в слоистых композитах на основе Ni и Al

Зависимость толщины интерметаллида от температуры образования оксидной пленки в слоистых композитах на основе Ni и Al

Небольшое исследование, посвящённое изучению характеристик металл–интерметаллидных композитов системы "Ni–Al", полученных методом сплавления при условии наличия оксидных плёнок разных температур образования, а соответственно, и разных толщин, на никеле. Основными результатами работы являются график зависимости толщины интерметалида от температуры образования оксидной пленки на никеле в слоистой системе "Ni–Al", соответствующие значения критических температур, при которых начинается и прекращается образование интерметаллидной прослойки, результаты рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализов области структурных преобразований, а также результаты механических испытаний составляющих слоистого композиционного материала. Научный руководитель: Огнева Т. С., научно–образовательный центр "Нанотехнологии", Новосибирский государственный технический университет.

Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Исследования

Вуз: Независимое исследование (нет вуза)

ID: 573dedb65f1be71f5489b86f

UUID: 0c665780-000f-0134-53a6-525400003e20

Язык: Русский

Опубликовано: больше 8 лет назад

Просмотры: 45

Источник:

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 0 байт

Поделиться работой

Содержание Введение …………………………………………………………………………3 I. Теоретическая часть 1. Некоторые понятия материаловедения ……………………………….….…5 2. Интерметаллиды и их свойства ………………………………………….……6 3. Интерметаллиды на основе Ni и Al ………………………………………..…7 II. Практическая часть 1. Создание и подготовка опытных образцов для исследований …………9 2. Исследование состава и структуры образцов…………………………….. 9 2.1 Рентгенофазовый анализ………………………………..………….10 2.2 Микрорентгеноспектральный анализ……………………….…...10 3. Механические свойства исследуемых материалов…………………….…10 4. Зависимость толщины интерметаллида от температуры образования оксидной пленки ………………………………………………………………11 Заключение ………………………………………………………………….…12 Приложения ……………………………………………………………………13 Литература …………………………………………………………………..…18

Введение Современная цивилизация развивалась во многом благодаря использованию превосходных свойств металлов. Они достаточно легко обрабатываются и после обработки сохраняют достаточную прочность. Однако научно-технический прогресс требует производить машины и аппараты, работающие в жестких условиях (высокая температура, агрессивные среды), которые металлы не выдерживают. В связи с этим, на смену металлам приходит керамика. Однако керамические материалы обладают повышенной хрупкостью и плохо обрабатываются. Таким образом, на их место приходят материалы, занимающие промежуточное положение между металлами и керамиками – интерметаллиды. Данная работа посвящена исследованию одного из наиболее востребованных видов интерметаллидов – алюминида никеля. При синтезе интерметаллидных материалов немаловажным фактором, влияющим на скорость образования оксидных пленок на исходных интерметаллида, является наличие металлах. Следовательно, можно сформулировать гипотезу данной научно-исследовательской работы:  при наличии оксидной пленки на одном из металлов, составляющих слоистый композитный материал, и увеличении температуры ее образования, а, наблюдаться следовательно, процесс и уменьшения толщины пленки, должен скорости образования критической температуры, интерметаллида;  по мере достижения некоторой интерметаллид не должен образовываться вообще из-за очень высокой толщины оксидной пленки, препятствующей свободному взаимному проникновению металлов друг в друга, т.е. диффузии, которая является одной из основных причин возникновения интерметаллида в данном случае. 2

Таким образом, целью данной работы является изучение особенности роста интерметаллида в слоистом композите на основе Ni и Al при наличии оксидной пленки на никеле. Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: • изучить теоретический материал в области исследования интерметаллидов; • подготовить и провести эксперимент по образованию интерметаллидных прослоек в экспериментальных образцах после наращивания оксидных пленок на никеле; • подготовить экспериментальные образцы для исследования; • исследовать структурные преобразования зоны соединения никеля и алюминия после термической обработки; • вывести зависимость между толщиной интерметаллидной прослойки и температурой образования оксидной пленки на никеле. 3

I. Теоретическая часть 1. Некоторые понятия материаловедения Прочность — действием свойство материала сопротивляться разрушению под внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. Твѐрдость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твѐрдого тела — индентора. Пластичность — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Жаростойкость (окалиностойкость) — сопротивление металла окислению при высоких температурах. Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью образования коррозии в данных условиях. Коррозия – разрушение твердых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающееся на поверхности тела при его взаимодействии с внешней средой Надѐжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Жаропрочность — способность конструкционных материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Жаростойкость (окалиностойкость) — сопротивление металла окислению при высоких температурах. 4

Износостойкость – это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определѐнных условиях трения. Термостойкость – техническое свойство материала, способность выдерживать термические напряжения без разрушения. Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Диаграмма состояний (фазовая диаграмма) – геометрическое изображение равновесных состояний термодинамической системы при разных значениях параметров, определяющих эти состояния: температуры, давления, состава системы (т.е. концентраций компонентов) и т.п. 2. Интерметаллиды и их свойства Интерметаллиды - (от лат. inter между - и металл) (интерметаллические соединения), химические соединения двух или нескольких металлов между собой. Для интерметаллидов характерен преимущественно металлический тип химической связи и специфические металлические свойства. Физические и химические свойства интерметаллидов зависят от природы химической связи. Ионные интерметаллиды обладают свойствами, характерными для солей, высокой температурой плавления, пониженной (по сравнению с металлической) электрической проводимостью, многие разлагаются водой. Для интерметаллидов с преобладающей металлической связью характерны свойства металлов, прежде всего, более или менее значительная способность к пластической деформации. Свойствами полупроводников обладают, соединения металлов с неметаллами. В как связи с правило, использованием интерметаллидов для получения высокопрочных сплавов, в том числе 5

коррозионно– и интерметаллидов, жаростойких, особенно важны их химические отношение свойства к окислению. При окислении тугоплавких интерметаллидов при низких температурах в связи с малой подвижностью атомов в решетках могут образовываться как простые оксиды, так и сложные (например, Nb2O5.Al2O3 при окислении NbAl3), они могут быть кристаллическими или аморфными. Образование поверхностных оксидных пленок повышает сопротивляемость интерметаллидов к окислению. Наиболее стойки к окислению при повышенных температурах (выше 1000 °С) алюминиды и бериллиды. 3. Интерметаллиды на основе Ni и Al Интерметаллиды на основе никеля и алюминия образуются в результате:  взаимодействия компонентов при сплавлении;  конденсации из пара;  при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии (при химико-термической обработке);  при распаде пересыщенного твердого раствора одного металла в другом;  в результате интенсивной пластической деформации при механическом сплавлении (механоактивации). Согласно данным фазовой диаграммы Ni-Al (рис. 1), которая отображает равновесные состояния различных фаз, существует 5 интерметаллидных соединений – NiAl, NiAl3, Ni3Al2, Ni3Al5, Ni3Al. Для алюминидов никеля характерны следующие свойства:  высокая прочность, которая не деградирует с возрастанием температуры;  очень низкая плотность интерметаллидов на основе Al приводит к высокому отношению прочность/плотность; 6

 высокие значения модуля упругости;  высокая стойкость к окислению;  высокая износостойкость;  хорошая обрабатываемость;  высокие антифрикционные свойства. Наличие высокого комплекса механических и эксплуатационных свойств делает возможным применение алюминида никеля в следующих областях:  лопатки турбин для реактивных двигателей;  высокотемпературные штампы и формы;  зажимные приспособления в высокотемпературных печах;  роллеры для прокатки стальных слябов;  детали роторов гидротурбин;  режущий инструмент. 7

II. Практическая часть 1. Изготовление экспериментальных образцов и их подготовка к структурным исследованиям  удаление органических загрязнений с никелевых пластин;  термическая обработка никелевых пластин при различных температурах (от 100 °С до 600 °С) в течение 1 часа с целью образования оксидной пленки;  расплавление алюминия и создание композита никель-алюминий путем погружения пластин никеля в жидкий алюминий (рис. 2);  резка полученной отливки на несколько образцов для проведения термической обработки;  термическая обработка композита «никель – алюминий» проводится с целью формирования интерметаллидной прослойки на границе соединения двух металлов. Выдержка образцов осуществлялась при температуре 620 ºС в течение 5 часов;  запрессовка образца в полимер при помощи гидравлического пресса (рис. 3);  подготовка образцов к структурным исследованиям (шлифовка и полировка исследуемой поверхности с помощью абразивных бумаг и полировальных суспензий). 2. Исследование состава и структуры образцов В результате исследований структуры с применением оптического растрового электронного микроскопа было установлено, что на границе соединения никеля и алюминия в результате ускоренной диффузии и реакции при повышенной температуре сформировался сплошной слой интерметаллида (рис. 4). Для определения количественного и качественного состава различных участков интерметаллидной прослойки были проведены следующие исследования: 8

2.1 Рентгенофазовый анализ Рентгенофазовый анализ дает информацию о том, какие именно соединения никеля и алюминия из всех возможных присутствуют в структуре образца. По итогам проведения исследования в структуре образца было выявлено 2 интерметаллидных соединения NiAl3 и Ni2Al3. Рентгенограмма представлена на рисунке 5. 2.2 Микрорентгеноспектральный анализ Данный вид анализа химического состава позволяет определить процентное содержание химических элементов (Ni и Al) в локальных участках исследуемого материала. С помощью микрорентгеноспектрального анализа было установлено, что тонкий светлый участок интерметаллидной прослойки, граничащий с алюминием, соответствует по химическому составу фазе NiAl3, в то время как толстый сплошной слой со стороны никеля соответствует по химическому составу интерметаллиду Ni2Al3. Результаты химического анализа различных зон интерметаллидной прослойки представлены в таблице 1 и на рисунке 6. 3. Механические свойства исследуемых материалов Для оценки механических свойств интерметаллида проводилось измерение микротвердости, как одного из основных показателей прочности материала. Проведенные измерения позволили сравнить, микротвердость интерметаллидных фаз и исходных материалов - никеля и алюминия. Микротвердость интерметаллида Ni2Al3 достигает 9000 МПа, микротвердость фазы NiAl3 колеблется в диапазоне 4000 – 5000 МПа. В то же время, твердость никеля составляет 1000 МПа, а алюминия – всего 380 МПа (рис. 7). 9

4. Зависимость толщины интерметаллида от температуры образования оксидной пленки По результатам эксперимента была построена зависимость, показывающая скорость роста интерметаллидной прослойки на границе соединения никеля и алюминия при 620 °С в зависимости от температуры образования оксидной пленки. Оксидная пленка на пластинах никеля образовывалась в результате выдержки пластин никеля в течение 1 часа при различных температурах (от 100 °С до 600 °С). График зависимости представлен на рисунке 8. Данные диаграммы свидетельствуют о том, что при наличие оксидной пленки, образующийся при температуре не выше 200 °С, не влияет на скорость роста интерметаллида и толщина интерметаллидной прослойки с повышением температуры образования оксидной пленки не снижается. Вероятно, что при температуре до 200 °С не происходит изменение толщины и состава оксидной пленки, следовательно, в динамике роста интерметаллидов изменений также не происходит. На участке от 200 °С до 400 °С наблюдается значительное снижение скорости роста интерметаллидов, о чем свидетельствует снижение толщины интерметаллидного слоя. Этот факт объясняется увеличением толщины оксидной пленки на никеле с повышением температуры, что затормаживает диффузию атомов и, тем самым, снижает скорость роста интерматаллидной прослойки. Оксидная пленка, образовавшаяся на пластине никеля за 1 час при температуре 400 °С и выше, достигает критической толщины, не позволяющей проходить диффузионным процессам на границе никеля и алюминия. Таким образом, толщина интерметаллида, при температуре образования оксидной пленке выше 400 °С равна нулю. 10

Заключение По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:  В результате термической обработки биметаллического композита «NiAl» при температуре 620 °С на границе соединения металлов формируется интерметаллидная прослойка, состоящая из соединений NiAl3 и Ni2Al3.  Оксидная пленка на никеле оказывает влияние на диффузионные процессы, протекающие при образовании интерметаллидов. Оксидная пленка, образующаяся при температуре выше 200 °С, препятствует диффузии атомов на границе раздела металлов, тем самым снижает скорость образования интерметаллидной прослойки и ее толщину. При наличии оксидной пленки на никеле, образовавшейся при температуре 400 °С и выше интенсивность диффузионных процессов сводится к минимуму, таким образом, образования интерметаллидов при термической обработке композита в данном случае не наблюдается.  Предложенная гипотеза таким образом подтверждается, найдено значение критической температуры: 400 °С.  Полученные результаты позволят минимизировать производственные затраты при подготовке исходных металлов при получении слоистых композиционных интерметаллидных материалов. 11

Приложения Рисунок 1. Диаграмма состояния Ni–Al Рисунок 2. Погружение пластин никеля в жидкий алюминий для формирования композита «никель – алюминий» 12

Рисунок 3. Образец, готовый для структурных исследований Рисунок 4. Пример структуры границы соединения Ni – Al после термической обработки 13

Рисунок 5. Рентгенограмма образца с интерметаллидной прослойкой после термической обработки Рисунок 6. Структура интерметаллидной прослойки и микрорентгеноспектральный анализ интерметаллида в локальных участках 14

Таблица 1 Содержание элементов в локальных участках интерметаллидной прослойки Содержание элемента, % ат. Al Ni Спектр 1 75,61 24,39 Спектр 2 61,23 38,77 Рисунок 7. Гистограмма микротвердости интерметаллида и его составляющих элементов: Ni и Al 15

Рисунок 8. Зависимость толщины интерметаллида от температуры образования оксидной пленки при термической обработке при 620 °С в течение 5 часов 16

Литература 1. Интерметаллиды Ni3Al и TiAl: микроструктура, деформационное поведение – Б. А. Гринберг, М. А. Иванов / Екатеринбург: ИФМ и НИСО УрО РАН, 2002 г. – 359 с. 2. Алюминиды – В. С. Синельникова, В. А. Подергин, В. Н. Речкин / Киев: изд. «Наукова думка», ИПМ АН УССР, 1965 г. – 225 с. 3. Oxidation Behavior of Ni3Al and Fe3Al: II. Early Stage of Oxide Growth - A. Velon, I. Olefjord / New York: ―Plenum Publishing Corporation‖, Oxidation of Metals, Vol. 56, Nos. 5/6, December 2001 (2001), Received July 3, 2000; revised May 30, 2001 – 425-452 p. 4. Окисление никеля на воздухе с образованием тонких пленок - А. Г. Рябухин, Е. Г. Новоселова, И. М. Самарин / Челябинск: Вестник ЮУрГУ, № 10, 2005 г. – 43-40 с. 5. Основы технологии производства многослойных металлов – В. К. Король, М. С. Гильденгорн. Уч. пос. / Москва: изд. «Металлургия», 1970 г. – 236 с. 6. Технология слоистых материалов – А. Г. Кобелев, И. Н. Потапов, Е. В. Кузнецов. Уч. пос. / Москва: изд. «Металлургия», 1991 г. – 248 с. 7. Суперсплавы II [Superlloys II] – пер. с англ. (в 2-х книгах) Ю. П. Либерова, А. Б. Цепелева, под ред. Р. Е. Шалина; [C. T. Sims, N. S. Stoloff, W. C. Hagel / New York: ―A Wiley-Interscience Publication‖] / Москва: изд. «Металлургия», 1995 г. – 384 с. 17

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв