cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2021-3-66-72cvmet-1264Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentСтруктура и свойства сплавов системы Ta-Zr, полученных методом высокоскоростной закалки из жидкого состоянияStructure and properties of Ta-Zr alloy obtained by high-speed melt quenching from liquid stateСеровМ. М.SerovM. M.

Доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории «Специальные металлические материалы и магниты» ВИАМ; профессор кафедры «Технологии и системы автоматизированного проектирования металлургических процессов» МАИ (НИУ).

105005, Москва, ул. Радио, 17; 125993, Москва, Волоколамское ш., 4.

Dr. Sci. (Eng.), chief researcher of the laboratory «Special metal materials and magnets» of All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (ARSRIAM); prof. of the Department of technologies and systems for automated production of metallurgical processes of Moscow Aviation Institute (National Research University) (MAI (NRU)).

105005, Moscow, Radio str., 17; 125993, Moscow, Volokolamsk highway, 4.

serovrmf@yandex.ruПатрушевА. Ю.PatrushevA. Yu.

Техник лаборатории «Специальные металлические материалы и магниты» ВИАМ, аспирант кафедры «Технологии и системы автоматизированного производства металлургических процессов» МАИ (НИУ).

125993, Москва, Волоколамское ш., 4.

Technician of the laboratory «Special metal materials and magnets» of ARSRIAM, postgraduate student of the Department of technologies and systems for automated production of metallurgical processes of MAI (NRU).

Moscow, Volokolamsk highway, 4.

lokotrains@yandex.ruФарафоновД. П.FarafonovD. P.

Начальник сектора лаборатории «Специальные металлические материалы и магниты» ВИАМ.

105005, Москва, ул. Радио, 17.

Head of sector of the laboratory «Special metal materials and magnets» of ARSRIAM.

105005, Moscow, Radio str., 17.

unz@mail.ruВалеевР. A.ValeevR. A.

Кандидат технических наук, начальник лаборатории «Специальные металлические материалы и магниты» ВИАМ.

105005, Москва, ул. Радио, 17.

Cand. Sci. (Eng.), head of the laboratory «Special metal materials and magnets» of ARSRIAM.

105005, Moscow, Radio str., 17.

valeev-r-a@mail.ruСафарянА. И.SafaryanA. I.

Кандидат технических наук, инженер кафедры «Материаловедение и технология обработки материалов» МАИ (НИУ).

125993, Москва, Волоколамское ш., 4.

Cand. Sci. (Eng.), engineer of Department «Materials science and processing technology» of MAI (NRU).

Moscow, Volokolamsk highway, 4.

an.safaryan@gmail.comВсероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ); Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ (НИУ))РоссияAll-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (ARSRIAM); Moscow Aviation Institute (National Research University) (MAI (NRU))Russian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)РоссияAll-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (ARSRIAM)Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ (НИУ))РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University) (MAI (NRU))Russian Federation202113062021036672Copyright © Серов М.М., Патрушев А.Ю., Фарафонов Д.П., Валеев Р.A., Сафарян А.И., 20212021Серов М.М., Патрушев А.Ю., Фарафонов Д.П., Валеев Р.A., Сафарян А.И.Serov M.M., Patrushev A.Y., Farafonov D.P., Valeev R.A., Safaryan A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1264

Рассмотрено влияние высокоскоростной закалки расплава, реализуемой методом экстракции висящей капли расплава, бинарной системы Ta—Zr. Применяли две смеси элементарных порошков тантала и циркония с содержанием 60 и 6 % тантала соответственно. Композиции после смешивания прессовали при давлении 250 МПа в стальной пресс-форме на гидравлическом прессе. Спекание выполняли в вакуумной печи при температуре 1350 °С и давлении 10-3 Па. Высокоскоростную закалку проводили в вакууме при давлении 2•10-2 Па при помощи электронно-лучевого нагрева и вращающегося диска-теплоприемника. Толщина полученных волокон составляла 15—80 мкм. Проведены исследования и сравнение результатов испытаний образцов быстрозакаленных дискретных волокон сплава Ta—Zr и образцов, полученных в результате оплавления заготовки-штабика посредством электронно-лучевого нагрева (в литом состоянии). Установлено, что структура быстрозакаленных волокон сплава с содержанием 6 мас.% Ta состоит из зерен игольчатой формы размером 5—10 мкм, а волокна с 60 мас.% Ta имеют столбчатую дендритную структуру. Изучение распределения тантала и циркония по поперечному сечению волокна показало, что при снижении скорости охлаждения менее 105 К/с в сплаве с долей тантала 60 мас.% развивается монотектоидное превращение. Выявлено, что у сплава с 6 мас.% Та значение микротвердости быстрозакаленного волокна в 1,5 раза выше, чем у того же сплава без закалки, а для сплава с 60 мас.% Ta такое же сопоставление дает 2-кратное превосходство.

The paper considers the effect of Ta-Zr binary system splat quenching implemented by the method of pendant drop melt extraction. The study was conducted using two mixtures of tantalum and zirconium elementary powders with a content of 60 and 6 % of tantalum respectively. After mixing, the compositions were pressed at 250 MPa in a steel mold on a hydraulic press. Sintering was carried out in a vacuum furnace at 1350 °C and a pressure of 10-3 Pa. Splat quenching was carried out in a vacuum at 2•10-2 Pa using electron-beam heating and a spinning disk absorber. Resulting fiber thickness was 15 to 80 gm. The results of testing splat-quenched Ta—Zr alloy discrete fibers and samples formed as a result of rod stock melting by electron-beam heating (as-cast) were studied and compared. It was found that the structure of splat-quenched fibers of the alloy with a Ta content of 6 wt.% consists of 5—10 gm needle-shaped grains, and the alloy with a Ta content of 60 wt.% has a columnar dendritic structure. A study of tantalum and zirconium distribution across the fiber cross-section showed that cooling rate reduction to less than 105 K/s leads to monotectoid transformation in the alloy with a tantalum content of 60 wt.%. It was found that for an alloy with 6 wt.% Ta the fiber microhardness value is 1.5 times higher in comparison with the same alloy without quenching, and for an alloy with Ta 60 wt.% it is higher by a factor of two.

закалка расплавасплавы Ta—Zrэкстракция висящей капли расплававолокноmelt quenchingTa—Zr alloyspendant drop melt extractionfiberReferencesЕмельянов В.С., Годин Ю.Г., Евстюхин А.И. Исследование системы цирконий—тантал. Атом. энергия. 1957. Vol. 2. No. 1. С. 42—47.Emel'yanov V.S., Godin Yu.G., Evstyukhin A.I. Research of the zirconium—tantalum system. Atomnaya energiya. 1957. Vol. 2 No. 1. P. 42—47 (In Russ.).Емельянов В.С., Годин Ю.Г., Евстюхин А.И. Механические свойства двойных и тройных сплавов циркония с танталом и ниобием при комнатной и повышенной температурах. В сб.: Ядерное горючее и реакторные материалы: Тр. II Междунар. конф. по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1958 г.). 1959. С. 462—473.Emel'yanov V.S., Godin Yu.G., Evstyukhin A.I. Mechanical properties of double and triple alloys of zirconium with tantalum and niobium at room and elevated temperatures. In: Nuclear fuel and reactor materials: Proc. II Int. Conf. on the peaceful uses of atomic energy (Geneva, 1958). 1959. P. 462—473 (In Russ.).Williams D.E., Jaskons R.J., Larsen W.L. The tantalum-zirconium alloy system. Trans. Metall. AIME. 1962. Vol. 224. No. 4. P. 751—756.Williams D.E., Jaskons R.J., Larsen W.L. The tantalum-zirconium alloy system. Trans. Metall. AIME. 1962. Vol. 224. No. 4. P. 751—756.Pease L.F., Brophy J.H. Some modifications in the diagram for the tantalum—zirconium system. Trans. Metall. AIME. 1963. Vol. 227. No. 5. P. 1245—1249.Pease L.F., Brophy J.H. Some modifications in the diagram for the tantalum—zirconium system. Trans. Metall. AIME. 1963. Vol. 227. No. 5. P. 1245—1249.Smirnov I.V., Tsverova A.S., Grinyaev K.V., Ditenberg I.A. Influence of annealing temperature on microstructure and microhardness of V—Cr—Ta—Zr alloy. In: 16th Int. Conf. of students and young scientists on prospects of fundamental sciences development (Tomsk, 23—26 April 2019). 2019. Vol. 1909. P. 936—941. DOI: 10.1088/1757-899X/597/1/012050.Smirnov I.V., Tsverova A.S., Grinyaev K.V., Ditenberg I.A. Influence of annealing temperature on microstructure and microhardness of V—Cr—Ta—Zr alloy. In: 16th Int. Conf. of students and young scientists on prospects of fundamental sciences development (Tomsk, 23—26 April 2019). 2019. Vol. 1909. P. 936—941. DOI: 10.1088/1757-899X/597/1/012050.Peradze T., Stamateli I., Cederstrom J., Berikashvili T., Razov A., Gorgadze K. Shape memory effect in Ti—Ta—Zr alloys. Int. J. Appl. Electromagn. Mech. 2006. Vol. 23 (1—2). P. 39—43. DOI: 10.3233/JAE-2006-730.Peradze T., Stamateli I., Cederstrom J., Berikashvili T., Razov A., Gorgadze K. Shape memory effect in Ti—Ta—Zr alloys. Int. J. Appl. Electromagn. Mech. 2006. Vol. 23 (1—2). P. 39—43. DOI: 10.3233/JAE-2006-730.Enayati M.H., Schumacher P., Cantor B. The structure and thermal stability of mechanically alloyed Ni—Nb— Zr amorphous alloys. J. Mater. Sci. 2002. Vol. 37 (24). P. 5255—5259. DOI: 10.1023/A:1021008620711.Enayati M.H., Schumacher P., Cantor B. The structure and thermal stability of mechanically alloyed Ni—Nb— Zr amorphous alloys. J. Mater. Sci. 2002. Vol. 37 (24). P. 5255—5259. DOI: 10.1023/A:1021008620711.Deo L.P., Kaufman M.J., Wang B., Nikodemski S. Crystalline phases found in rapidly quenched Ni—Nb—Zr alloys. J. Microscopy. 2017. Vol. 267 (1). P. 49—56. DOI: 10.1111/jmi.12546.Deo L.P., Kaufman M.J., Wang B., Nikodemski S. Crystalline phases found in rapidly quenched Ni—Nb—Zr alloys. J. Microscopy. 2017. Vol. 267 (1). P. 49—56. DOI: 10.1111/jmi.12546.Paglieri S.N., Pal N.K., Dolan M.D., Kim S.-M., Chien W.-M., Lamb J. Hydrogen permeability, thermal stability and hydrogen embrittlement of Ni—Nb—Zr and Ni—Nb— Ta—Zr amorphous alloy membranes. J. Membr. Sci. 2011. Vol. 378 (1—2). P. 42—50. DOI: 10.1016/j.memsci.2011.04.049.Paglieri S.N., Pal N.K., Dolan M.D., Kim S.-M., Chien W.-M., Lamb J. Hydrogen permeability, thermal stability and hydrogen embrittlement of Ni—Nb—Zr and Ni—Nb— Ta—Zr amorphous alloy membranes. J. Membr. Sci. 2011. Vol. 378 (1—2). P. 42—50. DOI: 10.1016/j.memsci.2011.04.049.Каблов Е.Н. Материалы нового поколения и цифровые технологии их переработки. Вестн. Рос. академии наук. 2020. Vol. 90. No. 4. С. 331—334. DOI: 10/31857/S0869587320040052.Kablov E.N. Materials of the new generation and digital technologies of their processing. Vestnik Rossiiskoi academii nauk. 2020. Vol. 90. No. 4. P. 331—334 (In Russ.).Tudoran S., Voiculescu I., Geanta V., Vizureanu P, Mar-za Rosca I., Patra^cu I., Ciocoiu R. Effects of the chemical composition on the microstructural characteristics of Ti—Nb—Ta—Zr alloys. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 572. P. 1—5. DOI: 10.1088/1757-899X/572/1/012022.Tudoran S., Voiculescu I., Geanta V., Vizureanu P, Mar-za Rosca I., Patra^cu I., Ciocoiu R. Effects of the chemical composition on the microstructural characteristics of Ti—Nb—Ta—Zr alloys. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 572. P. 1—5. DOI: 10.1088/1757-899X/572/1/012022.Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Авиац. материалы и технологии. 2015. No. 1 (34). С. 3—33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.Kablov E.N. Innovative development FGUP «VIAM» SSC RF on implementation of the «Strategic directions of development of materials and technologies of their reprocessing for the period till 2030». Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2015. No. 1 (34). P. 3—33 (In Russ.).Гращенков Д.В., Ефимочкин И.Ю., Большакова А.Н. Высокотемпературные композиционные материалы, армированные частицами и волокнами тугоплавких соединений. Авиац. материалы и технологии. 2017. No. S. С. 318—328. DOI: 10/18577/2071-9240-0-S-318-328.Grashchenkov D.V., Efimochkin I.Yu., Bol'shakova A.N. High-temperature composite materials reinforced with particles and fibers of refractory compounds. Avia-tsionnye materialy i tekhnologii. 2017. No. S. P. 318—328 (In Russ.).Tang Z.Z., Hsieh J.H., Zhang S.Y., Li C., Fu Y.Q. Phase transition and microstructure change in Ta—Zr alloy films by co-sputtering. Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 198. P. 110—113. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.10.019.Tang Z.Z., Hsieh J.H., Zhang S.Y., Li C., Fu Y.Q. Phase transition and microstructure change in Ta—Zr alloy films by co-sputtering. Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 198. P. 110—113. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.10.019.Бабашов В.Г., Варрик Н.М. Высокотемпературный гибкий волокнистый теплоизоляционный материал. Тр. ВИАМ. 2015. No. 1. С. 15—19. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 29.06.2020).Babashov V.G., Varrik N.M. High-temperature flexible fiber insulation material. Trudy VIAM. 2015. No. 1. P. 15—19. URL: http://www.viam-works.ru (accessed: 29.06.2020) (In Russ.).Yang D., Zhou X., Cheng T., Sun K., Huang D. Development of rotary shear equipment for preparing short metal fibers. In: IEEE 8th Int. Conf. on CIS & RAM (Ningbo, 19—21 Nov. 2017). 2017. P. 105—110. DOI: 10.1109/ICCIS.2017.8274757.Yang D., Zhou X., Cheng T., Sun K., Huang D. Development of rotary shear equipment for preparing short metal fibers. In: IEEE 8th Int. Conf. on CIS & RAM (Ningbo, 19—21 Nov. 2017). 2017. P. 105—110. DOI: 10.1109/ICCIS.2017.8274757.Ивахненко Ю.А., Баруздин Б.В., Варрик Н.М., Максимов В.Г. Высокотемпературные волокнистые уплотнительные материалы. Авиац. материалы и технологии. 2017. No. S. С. 272—289. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-272-289.Ivakhnenko Yu.A., Baruzdin B.V., Varrik N.M., Maksimov V.G. High-temperature fiber sealing materials. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2017. No. S. P. 272— 289 (In Russ.).Серов М.М., Борисов Б.В. Получение металлических волокон и пористых материалов из них методом экстракции висящей капли расплава. Технолог. легких сплавов. 2007. No. 3. С. 62—65.Serov M.M., Borisov B.V. Obtaining metal fibers and porous materials from them by extraction of a hanging drop of melt. Tekhnologiya legkikh splavov. 2007. No. 3. P. 62—65 (In Russ.).Фарафонов Д.П., Деговец М.Л., Алешина Р.Ш. Металлические волокна из жаростойких сплавов, легированных металлами платиновой группы. Авиац. материалы и технологии. 2016. No. 1. C. 44—52. DOI: 10.185.77/2071-9140-2016-0-1-44-52.Farafonov D.P., Degovets M.L., Aleshina R.Sh. Metal fibers from heat-resistant alloys alloyed with platinum group metals. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2016. No. 1. P. 44—52 (In Russ.).Li Q., Niinomi M, Hieda J. Deformation-induced a phase in modified Ti—29Nb—13Ta—46 Zr alloy by Cr addition. Acta Biomater. 2013. Vol. 9. P. 8027—8035.Li Q., Niinomi M, Hieda J. Deformation-induced a phase in modified Ti—29Nb—13Ta—46 Zr alloy by Cr addition. Acta Biomater. 2013. Vol. 9. P. 8027—8035.Lin Chang, Jue Liu, Hai-Lin Yang. Effects of Zr contents on the microstructure, mechanical properties and biocompatibility of Ta—Zr alloys. Mater. Sci. Forum. 2018. Vol. 914. P. 37—44. DOI: 4028/MSF.914.37.Lin Chang, Jue Liu, Hai-Lin Yang. Effects of Zr contents on the microstructure, mechanical properties and biocompatibility of Ta—Zr alloys. Mater. Sci. Forum. 2018. Vol. 914. P. 37—44. DOI: 4028/MSF.914.37.Анциферов В.Н., Серов М.М. Получение закалкой из расплава волокон и материалов. LAP LAMBERT Acad. Publ., 2014.Antsiferov V.N., Serov M.M. Obtaining by quenching from a melt of fibers and materials. LAP LAMBERT Acad. Publ., 2014 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.