Синтез интерметаллидного сплава на основе системы Cu–Ti–Al. Структурно-фазовый анализ и электрофизические свойства

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) реакционной смеси системы Cu–Ti–Al впервые получен интерметаллидный сплав на основе фазы Гейслера – Cu2TiAl. Изучены режимы фронтального горения шихтовых составов системы и процессы формирования фаз при синтезе. Полученные продукты исследовались методами рентгено- фазового анализа (РФА), включая высокотемпературную дифрактометрию со ступенчатым нагревом до 900 К, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и дифференциально-термического анализа, изучались физические свойства. Кроме того, для полученного сплава были проведены электрофизические и магнитные измерения. Результаты РФА и СЭМ с использованием энергодисперсионного анализа показали, что содержание фазы Гейслера в синтезированном продукте составляет не менее 82 %. В составе продукта также присутствуют алюминиды меди (Cu9Al4) и титана (Ti3Al2). Проведено измерение температур- ной зависимости удельного электросопротивления синтезированного продукта для широкого диапазона температур 90– 1000 К, которое при Т = 300 К составило 0,3 мкмОм·м. Выявлены металлический характер проводимости для полученных образцов и аномальное поведение температурной кривой электросопротивления в диапазоне Т = 770÷790 К. Методом термического анализа измерена температура плавления синтезированного продукта и обнаружены дополнительные тепловые эффекты при Т = 788, 848 и 1248 К, связанные с возможными фазовыми переходами в интерметаллиде Cu2TiAl. Рассмотрен возможный механизм фазовых переходов в соответствии с диаграммой фазового равновесия системы Cu–Ti–Al. Результаты магнитных измерений показали, что образцы интерметаллида, полученного методом СВС, проявляют слабые ферромагнитные свойства с остаточной намагниченностью 0,0069 А·м2/кг.

1. Zhu K., Zhao Y., Qu H., Wu Zh., Zhao X. Microstructure and properties of burn-resistant Ti—Al—Cu alloys. J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 5609—5612.

2. Salehi M., Hosseini R. Structural characterization of novel Ti—Cu intermetallic coatings. Surf. Eng. 1996. Vol. 12. No. 3. P. 221—224.

3. Середа Б.П. Диффузионное титанирование как метод повышения износостойкости латуни и бронзы в агрессивных средах. URL: http://www.zgia.zp.ua/gazeta/METALLURG_26_14.pdf.

4. Евстропов Д.А. Формирование структуры и свойств композиционных покрытий Cu—Ti-системы на поверхности медных деталей: Автореф. дис. канд. техн. наук. Волгоград: ВолгГТУ, 2016.

5. Chen X., Zhang F., Chi M., Yang S.,Wang S.,Li X., Zheng S. Microstructure, superelasticity and shape memory effect by stress-induced martensite stabilization in Cu—Al— Mn—Ti shape memory alloys. J. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 236. P. 1—10.

6. Tian J., Zhu W., Wei Q., Wen S., Li S., Song B., Shi Yu. Process optimization, microstructures and mechanical properties of a Cu-based shape memory alloy fabricated by selective laser melting. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 785. P. 754—764.

7. Li S., Takahashi Y.K., Sakuraba Y., Chen J. Current-perpendicular- to-plane giant magnetoresistive properties in Co2Mn(Ge0.75Ga0.25)/Cu2TiAl/Co2Mn(Ge0.75Ga0.25) all-Heusler alloy pseudo spin valve. J. Appl. Phys. 2016. Vol. 119. P. 093911. DOI: 10.1063/1.4942853.

8. Christjph Leyens, Manfred Peters. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. Wiley- VCH Verlag GmbH&KGaA. 2003. P. 1—532. DOI: 10/1002/3527602119.

9. El-Sayed M. Sherif, Hany S. Abdo, Fahamsyah H. Latief, Nabeel H. Alharthi, Sherif Zein El Abedin. Fabrication of Ti—Al—Cu new alloys by inductive sintering, characterization, and corrosion evaluation. J. Mater. Res. Tech. 2019. Vol. 8. No. 5. P. 4302—4311. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.07.040.

10. Espinoza R., Palma R., Sepulveda A., Fuenzalida V. Microstructural characterization of dispersion-strengthened Cu—Ti—Al alloys obtained by reaction milling. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 454—455. P. 183—193. DOI: 10.1016/j.msea.2006.11.042.

11. Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1989.

12. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. М.: Физматлит, 2012.

13. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S, Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. Inter. Mater. Rev. 2017. Vol. 62. No. 4. P. 203—239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.

14. Карпов А.В., Морозов Ю.Г., Бунин В.А., Боровинская И.П. Влияние оксида иттрия на электропроводность нитридной СВС-керамики. Неорган. матер. 2002. Т. 38. No. 6. С. 762—766.

15. Ugur G., Bozan I. Electronic, elastic and vibrational properties of Cu2TMAl (TM = Sc, Ti, Cr) from first-principles calculations. In: Sci. Proc. XII Inter. Congr. «Machines, Technologies, Materials». 2015. P. 112—113.

16. Pang M., Zhan Y., Wang H., Jiang W., Du Y. Ab initio study of AlCu2M (M = Sc, Ti and Cr) ternary compounds under pressures. Comput. Mater. Sci. 2011. Vol. 50. P. 2930.

17. Dwight A., Kimball C. ScT2X and LnT2X compounds with the MnCu2Al-type structure. J. Less-Common Metals. 1987. Vol.127. P. 179—182.

18. Liu X., Wang C. Phase equilibria and phase transformation of the body-centered cubic phase in the Cu-rich portion of the Cu—Ti—Al system. J. Mater. Res. 2008. Vol. 23. No. 10. P. 2674—2684.

19. Липатников В.Н., Коттар А., Зуева Л.В., Гусев А.И. Фазовые превращения порядок-беспорядок и электросопротивление нестехиометрического карбида титана. Физика твердого тела. 1998. Т. 40. No. 7. С. 1332—1340.

20. Mizutani U., Yamada Y., Ito Y. Collected abstracts of 1986 spring meeting of Japan Inst. Metals. P. 63.

21. Lazurenko D., Bataev I., Ogneva T., Maliutina I., Mali V., Jorge A., Stark A., Pyczak F. Synthesis of metal-intermetallic laminate (MIL) composites with modified Al3Ti structure and in situ synchrotron Х-ray diffraction analysis of sintering process. Mater. Design. 2015. Vol. 151. P. 8—16. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.04.038.

22. Landolt-Bornstein. Ternary alloy systems (Phase diagrams, crystallographic and thermodynamic date). Mater. Sci. Int. Team MSIT. 2008. P. 156—173.