Влияние температуры на формирование стабильных и метастабильных алюминидных фаз в сплавах системы Al-Zr-Nb

Рассмотрены условия формирования стабильных и метастабильных алюминидов Al_n(Zr_1-x.Nb_x), образующихся при кристаллизации перегретых расплавов системы Al— Zr—Nb. При близком содержании циркония в сплавах (0,23—0,25 ат.%) содержание ниобия изменялось от 0,05 до 0,21 ат.%. Сплавы готовили в печи сопротивления при температуре 1230 °С в атмосфере аргона в графитовых тиглях. Разливку сплавов проводили в бронзовую изложницу, скорость охлаждения в которой составляла примерно 200 град/с. Электронной сканирующей и оптической микроскопией, а также методами рентгенофазового, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, в том числе атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно связанной плазмой, изучены структурные особенности, характер распределения, морфология, состав матрицы, дендритных ячеек и алюминидов, а также структурный тип интерметаллидов в исследуемых сплавах. Показано, что при перегреве расплавов системы Al—Zr—Nb над температурой ликвидуса на 360—365 °C происходит смена форм роста стабильных алюминидов структурного типа D0₂₃ от гранной к дендритной и начинают формироваться метастабильные алюминидные фазы с кубической решеткой структурного типа L1₂. При перегреве на 390—395 °C и выше в сплавах образуются только метастабильные алюминиды, имеющие как полиэдрические, так и дендритные формы роста. Околоперитектический (по ниобию) состав сплава Al—Zr—Nb (при содержании циркония, более чем в 7 раз превышающем перитектическое) определяет формирование в нем большой доли метастабильных алюминидов Al_nZr с кубической решеткой L1₂. Показано, что в соответствии с правилами изоморфизма Nb замещает Zr в эквивалентных позициях кристаллической решетки алюминидов. С увеличением температуры перегрева расплавов интенсивность изоморфизма в формирующихся интерметаллидах Al₄(Zr_0,79Nb_0,21 ) возрастает.

1. Захаров В.В. О легировании алюминиевых сплавов переходными металлами. Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. No. 2 (740). С. 3—8.

2. Поздняков А.В., Осипенкова А.А., Попов Д.А., Махов С.В., Напалков В.И. Влияние малых добавок Y, Sm, Gd, Hf и Er на структуру и твердость сплава Al—0,2%Zr— 0,1%Sc. Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. No. 9 (735). С. 25—30.

3. Wu H., Wen S.P., Gao K.Y., Huang H., Wang W., Nie Z.R. Effect of Er additions on the precipitation strengthening of Al—Hf alloys. Scripta Mater. 2014. Vol. 87. P. 5—8. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2014.06.005.

4. Stan K., Litynska-Dobrzynska L., Ochin P., Garzel G., Wierzbicka-Miernik A., Wojewoda-Budka J. Effect of Ti, Zr and Hf addition on microstructure and properties of rapidly solidified Al—Mn—Fe alloy. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 615. P. S607—S611. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.11.160.

5. Ткачева О.Ю., Бродова И.Г., Архипов П.А., Зайков Ю.П. Влияние условий кристаллизации на структуру и модифицирующую способность Al—Sc сплавов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. No. 6. С. 55—64.

6. Yu P., Yana M., Tomus D., Brice C.A., Bettles C.J., Muddle B., Qian M. Microstructural development of electron beam processed Al—3Ti—1Sc alloy under different electron beam scanning speeds. Mater. Characterization. 2018. Vol. 143. P. 43—49. DOI:.1016/j.matchar.2017.09.005.

7. Попова Э.А., Шубин А.Б., Котенков П.В., Пастухов Э.А., Бодрова Л.Е., Федорова О.М. Лигатурные сплавы Al— Ti—Zr, особенности их структурообразования. Металлы. 2012. No. 3. С. 3—8.

8. Попова Э.А., Котенков П.В., Шубин А.Б., Пастухов Э.А. Особенности структуры лигатурных сплавов Al— Hf—Sc. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. No. 5. С. 69—74.

9. Popova E., Kotenkov P., Shubin A., Gilev I. Formation of Metastable Aluminides in Al—Sc—Ti (Zr, Hf) Cast Alloys. Metal. Mater. Inter. 2019. DOI: 10.1007/s12540-019-00397-x.

10. Попова Э.А., Котенков П.В., Шубин А.Б. Образование метастабильных алюминидов в сплавах системы Al—Hf—Ti. Цветные металлы. 2017. No. 11. С. 65—70. DOI: 10.17580/tsm.2017.11.12.

11. Srinivasan S., Desch P.B., Schwarz R.B. Metastable Phases in the Al3X (X = Ti, Zr, and Hf) Intermetallic System. Scripta Metal. Mater. 1991. Vol. 25. No. 11. P. 2513—2516. DOI: 10.1016/0956-716X(91)90059-A.

12. Malek P., Janecek M., Smola B., Bartuska P., Plestil J. Structure and properties of rapidly solidified Al—Zr—Ti alloys. J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 2625—2633. DOI: 10.1023/A:1004739718504.

13. Бродова И.Г., Замятин В.М., Попель П.С., Есин В.О., Баум Б.А., Моисеев А.И., Коршунов И.П., Топчий А.Л., Тихомиров Ю.Г., Поленц И.В. Условия формирования метастабильных фаз при кристаллизации сплавов Al—Zr. Расплавы. 1988. Т. 2. No. 6. С. 23—27.

14. Norman A.F., Tsakiropoulos P. Rapid solidification of Al— Hf alloys — solidification, microstructures and decomposition of solid-solutions. Int. J. Rapid Solid. 1991. Vol. 6. No. 3-4. P. 185—213.

15. Бродова, И.Г., Поленц И.В., Есин В.О., Лобов Б.М. Закономерности формирования литой структуры переохлажденных Al—Ti-сплавов. Физика металлов и металловедение. 1992. No. 1. C. 84—89.

16. Knipling K.E., Dunand D.C., Seidman D.N. Nucleation and precipitation strengthening in dilute Al—Ti and Al—Zr alloys. Metal. Mater. Trans. A. 2007. Vol. 38A. P. 2552— 2563. DOI: 10.1007/s11661-007-9283-6.

17. Carlsson A.E., Meschter P.J. Relative stability of L12, D022, and D023 structures in MAl3 compounds. J. Mater. Res. 1989. Vol. 4. No. 5. P. 1060—1063. DOI: 10.1557/JMR.1989.1060.

18. Anthony de Luca, David N. Seidman, David C. Dunand. Effects of Mo and Mn microadditions on strengthening and over-aging resistance of nanoprecipitation-strengthened Al—Zr—Sc—Er—Si alloys. Acta Mater. 2019. Vol. 165. P. 1—14. DOI: 10.1016/j.actamat.2018.11.031.

19. Keith E. Knipling, Richard A. Karnesky, Constance P. Lee, David C. Dunand, David N. Seidman. Precipitation evolution in Al—0,1Sc, Al—0,1Zr and Al—0,1Sc—0,1Zr (at.%) alloys during isochronal aging. Acta Mater. 2010. Vol. 58. No. 15. P. 5184—5195. DOI: 10.1016/j.actamat.2010.05.054.

20. Dinc Erdeniz, Anthony De Luca, David N. Seidman, David C. Dunand. Effects of Nb and Ta additions on the strength and coarsening resistance of precipitation-strengthened Al—Zr—Sc—Er—Si alloys. Mater. Characterization. 2018. Vol. 141. P. 260—266. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.04.051.

21. Yang Wang, Hongyu Liu, Xiaochun Ma, Ruizhi Wu, Jian- feng Sun, Legan Hou, Jinghuai Zhang, Xinlin Li, Milin Zhang. Effects of Sc and Zr on microstructure and properties of 1420 aluminum alloy. Mater. Characterization. 2019. Vol. 15. P. 241—247. DOI: 10.1016/j.matchar.2019.06.001.

22. Nhon Q. Vo, Davaadorj Bayansan, Amirreza Sanaty-Zadeh, Evander Ramos, David C. Dunand. Effect of Yb microadditions on creep resistance of a dilute Al—Er—Sc—Zr alloy. Materialia. 2018. Vol. 4. P. 65—69. DOI: 10.1016/j.mtla.2018.08.030.

23. Zhongxia Liu, Zijiong Li, Mingxing Wang, Yonggang Weng. Effect of complex alloying of Sc, Zr and Ti on the microstructure and mechanical properties of Al—5Mg alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 483-484. P. 120—122. DOI: 10.1016/j.msea.2006.09.166.

24. Murray J.L., Peruzzi A., Abriata J.P. The Al—Zr (aluminum-zirconium) system. J. Phase. Equil. 1992. 13 (3). Р. 277—291. DOI: 10.1007/BF02667556.

25. Okamoto H. Phase diagrams for binary alloys. ASM Inter-national, Materials Park, 2002.