Построение неравновесной диаграммы состояния системы галлий–олово и ее анализ

Методами термического анализа изучены переохлаждения сплавов в системе галлий–олово в нормальных условиях. Для этого были исследованы следующие образцы: Ga (I ); два доэвтектических сплава – 95 % Ga + 5 % Sn (II ) и 90 % Ga + 10 % Sn (III ); эвтектический сплав 96,3 % Ga + 13,7 % Sn (IV ); пять заэвтектических сплавов с содержанием Sn 20 % (V ), 35 % (VI ), 50 % (VII ), 80 % (VIII ) и чистое олово (IX ). Построена неравновесная диаграмма состояния этой системы. При этом состав эвтектики не меняется, а эвтектическая температура уменьшается до 5,5 °C, т.е. на 26 град ниже температуры трехфазного эвтектического равновесия. Эвтектическая температура практически не меняется при изменении скоростей охлаждения эвтектектического сплава в пределах от 0,06 до 60 °C/мин. Установлено, что в доэвтектической области намечается небольшое понижение переохлаждений, тогда как в заэвтектической области – их увеличение при приближении состава сплава к эвтектическому. Рассчитаны активности и коэффициенты активностей компонентов на линиях равновесного и неравновесного ликвидуса. Показано, что активности компонентов как на линии равновесного, так и на линии неравновесного ликвидуса в целом закономерным образом уменьшаются, а коэффициенты активностей возрастают по мере приближения состава к эвтектическому. На диаграммах состояния показаны концентрационные пути равновесной и неравновесной кристаллизации.

1. Liang Zhao, Yuming Xing Ze, Wang Xin Liu. The passive thermal management system for electronic device using low-melting-point alloy as phase change material. Appl. Therm. Eng. 2017. Vol. 125. P. 317—327. DOI: doi. org/10.1016/j.applthermaleng.2017.07.004.

2. Краюхин В.И. Состав материалов для приготовления упрочняющих паст: Пат. С09К3/10 (РФ). 2009.

3. Roy Ch.K., Bhavnani S., Hamilton M.C., Wayne J.R., Knight R.W., Harris D.K. Thermal performance of low melting temperature alloys at the interface between dissimilar materials. Appl. Therm. Eng. 2016. Vol. 99.

4. P. 72—79. DOI: doi.org/10.1016/j.applthermaleng. 2016.01.036.

5. Ченцов В.П., Шевченко В.Г., Мозговой А.Г., Покрасин М.А. Плотность и поверхностное натяжение тяжелых жидкометаллических теплоносителей. Галлий и индий. Персп. материалы. 2011. No. 3. С. 46—52.

6. Иванова А.Г., Герасимов С.Ф. Зависимость температуры фазовых переходов эвтектического сплава Ga— Zn от его морфологии. Измер. техника. 2009. No. 1. С. 34—37.

7. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. Т. 2. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. С. 657—658.

8. Puschin N.A., Stepanoviĉ S., Stajiĉ V. Über die Legierungen des Galliums mit Zink, Cadmium, Quecksilber, Zinn, Blei, Wismut und Aluminium. Z. Anorg. Allgem. Chem. 1932. Vol. 209. Iss. 3. P. 329.

9. Predel B. Zustandsdiagramm und eigenschaften von Gallium-Zinn-Legierungen. J. Less Common Metals. 1964. Vol. 7. Iss. 5. P. 347—355.

10. Требухов А.А., Сармурзина Р.К., Сокольский Д.В. Исследование физико-химических свойств системы галлий—олово. Журн. физ. химии. 1985. No. 8. С. 2065— 2067.

11. Брехаря Г.П. Влияние скорости охлаждения на переохлаждения металлов и сплавов и структурообразование: Автореф. дис. … Кандидат технических наук. Днепропетровск: ДГУ, 1976.

12. Александров В.Д. Кинетика зародышеобразования и массовой кристаллизации переохлажденных расплавов и аморфных сред. Донецк: Донбасс, 2011.

13. Александров В.Д., Постніков В.А., Фролова С.О., Прокоф’ев С.В. Спосіб сумісного циклічного та диференційного термічного аналізу: Пат. 83721 (Україна). 2008.

14. Perepezko J.H. Nucleation in undercooled liquids. Mater. Sci. Eng. 1984. Vol. 65. Iss. 1. P. 125—135.

15. Шестак Я. Теория термического анализа. М.: Мир, 1987.

16. ГОСТ Р532933-2009. Идентификация веществ и материалов (кривые нагревания и охлаждения по ТА, ДТА, ДСК, ТГА).

17. Александров В.Д., Фролова С.А. Влияние перегрева расплава галлия на его переохлаждение при кристаллизации. Металлы. 2014. No. 1. С. 19—24. DOI: 10.1134/S0036029514010042.

18. Александров В.Д., Фролова С.А. Влияние термовременной обработки жидкой фазы на кристаллизацию сплавов в системе Sn—Bi. Расплавы. 2003. No. 3. С. 14—21.

19. Александров В.Д., Баранников В.Д. Исследование влияния термической предыстории капель олова и свинца на их кристаллизацию методом циклического термического анализа. Хим. физика. 1998. Т. 17. No. 10. С. 140—147.

20. Александров В.Д., Фролова С.А., Амерханова Ш.К. Особенности кристаллизации эвтектического сплава в системе галлий—олово. Металлы. 2016. No. 3. С. 47—52. DOI: 10.1134/S0036029516050025.

21. Er-Guang Jia, Ai-Qing Wu, Li-Jun Guo, C.S. Liu, WenJun Shan, Zhen-Gang Zhu. Experimental evidence of the transformation from microheterogeneous to microhomogeneous states in Ga—Sn melts. Phys. Lett. A. 2007. Vol. 364. Iss. 6. P. 505—509. DOI: doi.org/10.1016/j.physleta.2006.12.048.

22. Zhao Xiaolin, Bian Xiufang, Wang Changchun, Li Yunfang. The evolution of coordination structure in liquid GaSn alloy. Chinese J. Phys. 2018. Vol. 56. Iss. 6. P. 2684—2688. DOI: doi.org/10.1016/j.cjph.2018.10.025.

23. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: Высш. шк., 1973.