Особенности формирования структуры сплавов системы Al–Ni–Zr, полученных при восстановлении оксидных соединений алюмотермией с применением СВС-металлургии

Настоящая работа посвящена установлению закономерности влияния добавки циркония в количестве 2,21, 3,29, 3,69 и 6,92 мас.% на структурообразование, характер распределения элементов и микротвердость структурных составляющих в сплавах системы Al–Ni–Zr, полученных алюмотермией с применением СВС-металлургии. Установлены и научно обоснованы закономерности формирования структурных составляющих и их микротвердости от содержания циркония в сплавах Al–Ni (50 мас.% Ni). Методами электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа элементов идентифицированы структурные составляющие. Структура исходного сплава состоит из алюминидов никеля Al₃Ni₂ (β′-фаза) и Al₃Ni. Легирование сплава цирконием в количестве 2,21 мас.% приводит к кристаллизации циркониевого алюминида никеля Al₂(Ni,Zr). При дальнейшем увеличении содержания циркония (более 2,21 мас.%) кристаллизуются комплексно-легированные интерметаллидные соединения – алюминиды Zr, W, Si и циркониды Ni. Установлена закономерность снижения растворимости Ni в алюминидах никеля Al₃Ni₂ и Al₃Ni и их микротвердости по мере увеличения содержания циркония от 2,21 до 6,92 мас.% в сплавах Al–Ni–Zr. В алюминиде никеля с цирконием Al₂(Ni,Zr) это способствует уменьшению растворимости Ni, Al и повышению концентраций Si и Zr. Легирование сплава Al–Ni цирконием в количестве более 2,21 мас.% способствует повышению твердости (HRA), несмотря на снижение микротвердости металлической основы (Al₃Ni₂, Al₃Ni и Al₂(Ni,Zr)). Основной причиной повышения твердости сплавов Al–Ni–Zr является кристаллизация комплексно-легированных интерметаллидов – алюминидов Zr, W, Si и цирконида никеля, обладающих, вероятно, повышенной микротвердостью. Таким образом, легирование сплава Al–Ni цирконием позволяет получить пластичную металлическую основу из алюминидов никеля Al₃Ni₂, Al₃Ni и Al₂(Ni,Zr) и высокотвердые комплексно-легированные интерметаллиды.

1. Wu D.L., Dahl K.V., Christiansen T.L., Montgomery M., Hald J. Corrosion behaviour of Ni and nickel aluminide coatings exposed in a biomass fired power plant for two years. Surface and Coatings Technology. 2019;(362):355— 365. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.12.129

2. Dey G.K. Physical metallurgy of nickel aluminides. Sadhana. 2003;1(28):247—262. https://doi.org/10.1007/BF02717135

3. Talaş Ş. Nickel aluminides. In: Intermetallic Matrix Composites. Woodhead Publishing, Sawston, 2018. P. 37—69. https://doi.org/10.1016/B978-0-85709-346-2.00003-0

4. Baker I., Munroe P.R. Improving intermetallic ductility and toughness. Journal of Metals. 1988;2(40):28—31. https://doi.org/10.1007/BF03258828

5. Shang Z., Shen J., Wang L., Du Y., Xiong Y., Fu H. Investigations on the microstructure and room temperature fracture toughness of directionally solidified NiAl— Cr(Mo) eutectic alloy. Intermetallics. 2015;57:25—33. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.09.012

6. Stoloff N. S., Koch C.C., Liu C.T., Izumi O. High-temperature ordered intermetallic alloys II. In: Materials Research Society Proceedings of the Second Symposium (Boston, MA, Dec. 2—4, 1986.). Troy, NY (USA): Rensselaer Polytechnic Inst., 1987. P. 3—11. https://doi.org/10.1557/PROC-81-3

7. Ponomareva A.V., Vekilov Y.K., Abrikosov I.A. Effect of Re content on elastic properties of B2 NiAl from ab initio calculations. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 586:274—278. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.12.103

8. Bochenek K., Basista M. Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications. Progress in Aerospace Sciences. 2015;79:136—146. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.09.003

9. Ameri S., Sadeghian Z., Kazeminezhad I. Effect of CNT addition approach on the microstructure and properties of NiAl—CNT nanocomposites produced by mechanical alloying and spark plasma sintering. Intermetallics. 2016;76:41—48. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2016.06.010

10. Gostishchev V., Ri E., Ri H., Kim E., Ermakov M., Khimukhin S., Deev V., Prusov E. Synthesis of complex-alloyed nickel aluminides from oxide compounds by aluminothermic method. Metals. 2018;6(8):439. https://doi.org/10.3390/met8060439

11. Röyset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys. International Materials Reviews. 2005;1(50):19—44. https://doi.org/10.1179/174328005X14311

12. Michi R.A., Plotkowski A., Shyam A., Dehoff R.R., Babu S.S. Towards high-temperature applications of aluminium alloys enabled by additive manufacturing. International Materials Reviews. 2022;67(3):298—345. https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1951580

13. Prusov E.S., Panfilov A.A., Kechin V.A. Role of powder precursors in production of composite alloys using liquid-phase methods. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2017;58(3):308—316. https://doi.org/10.3103/S1067821217030154

14. Sanin V., Andreev D., Ikornikov D., Yukhvid V. Cast intermetallic alloys by SHS under high gravity. Acta Physica Polonica A. 2011;120(2):331—335. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.120.331

15. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Применение процессов СВС для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана. Обзор. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016;(1):39—49. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-39-49

16. Tiwary C., Gunjal V., Banerjee D., Chattopadhyay K. Intermetallic eutectic alloys in the Ni—Al—Zr system with attractive high temperature properties. MATEC Web of Conferences. — EDP Sciences. 2014;14:01005. https://doi.org/10.1051/matecconf/20141401005

17. Fukumoto M., Yokota T., Hara M. Formation of Ni aluminide containing Zr by synchronous electrodeposition of Al and Zr and cyclic-oxidation resistance. Journal of the Japan Institute of Metals. 2010;74(9):584—591.

18. Wang L., Yao Ch., Shen J., Zhang Yu. Microstructures and compressive properties of NiAl—Cr (Mo) and NiAl— Cr eutectic alloys with different Fe contents. Materials Science and Engineering: A. 2019;744:593—603. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.12.085

19. Левашов Е.А. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Изд. дом МИСИС, 2011. 377 с.

20. Hassan A.I., El-Fawakhry M.K., Hamed A., Mattar T. Monitoring the effect of alloying elements segregation in Fe Mn Ni Al high еntropy alloy. Journal of Physics: Conference Series. 2022;2368(1):012010.1—7. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2368/1/012010

21. Khimukhin S.N., Kim E.D., Ri E.H. Synthesis of NiAl composite alloys by metallothermy method. Materials Today: Proceedings. 2019;19:2278—2282. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.597

22. Ри Э.Х., Ри Хосен, Ким Е.Д., Ермаков М.А. Структурообразование, ликвационные процессы и микротвердость структурных составляющих сплавов Al—Ni—Zr, синтезированных из оксида никеля NiO и бадделеитового концентрата методом СВС-металлургии. Цветные металлы. 2021;(7):58—64. https://doi.org/10.17580/tsm.2021.07.07

23. Агафонов С.Н., Красиков С.А., Пономаренко А.А., Овчинников Л.А. Фазообразование при алюмотермическом восстановлении ZrO2. Неорганические материалы. 2012;48(8):927—927. https://doi.org/10.1134/S0020168512070011

24. Bazhin V.Y., Kosov Y.I., Lobacheva O.L., Dzhevaga N.V. Synthesis of aluminum-based scandium—yttrium master alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2015;(7):516—520. https://doi.org/10.1134/S0036029515070034