Микрогетерогенность и особенности кристаллизации  расплавов на основе алюминия (19.10.2009)

Автор: Чикова Ольга Анатольевна

2. В режимах нагрева после плавления и последующего охлаждения измерены температурные зависимости кинематической вязкости ?(Т) расплавов систем с простой эвтектикой (Al-Si, Al-Ge, Al-Sn), с эвтектикой, одной из фаз которой являются химические соединения (Al-Fe, Al-Co, Al-Sc, Al-Mn), и с областью несмешиваемости в жидком состоянии (Al-Pb, Al-In, Ga-Pb). Для расплавов Al-Si, Al-Sn, Al-Sc дополнительно измерены аналогичные зависимости удельного электросопротивления ?(Т). Обнаружено ветвление кривых ?(Т) и ?(Т) для всех расплавов, имеющих в твердом состоянии многофазную структуру. Для расплава алюминия этого эффекта не обнаружено. Поэтому ветвление зависимостей ?(Т) и ?(Т) автор связывает с необратимым разрушением микрогетерогенности расплава, т.е. с переходами системы между стабильным и метастабильным состояниями.

3. Изучено влияние необратимого перевода расплава из микрогетерогенного состояния в состояние однородного на атомном уровне раствора на структуру твердого металла, формирующегося при охлаждении со скоростями порядка 10-1-102 ?C/c. Установлено, что необратимое разрушение микрогетерогенного состояния расплава при последующем охлаждении и кристаллизации приводит:

для простых эвтектик - к смещению эвтектической точки в область больших концентраций второго компонента; к изменению морфологии и измельчению структурных составляющих сплава (переходу от пластинчатой к дендритной и сферической формам роста);

для сплавов эвтектического типа с химическими соединениями - к изменению габитуса первичных и эвтектических фаз и образованию пересыщенных твердых растворов на основе алюминия;

для монотектических систем - к уменьшению тенденции к макрорасслоению металла и получению массивных образцов с высокодисперсными включениями.

4. Показано, что температура необратимого перехода расплава из микрогетерогенного состояния в состояние однородного на атомном уровне раствора может быть существенно снижена в результате введения присадок элементов, обладающих поверхностной активностью на границах дисперсных частиц. Установлено, что для достижения указанного эффекта должно быть оптимизировано содержание поверхностно-активной примеси в сплаве.

5. В рамках представлений химической термодинамики растворов впервые строго обоснована возможность микрогетерогенного состояния в металлических расплавах с неограниченной смешиваемостью компонентов. На поверхности свободной энергии Гиббса ограниченной системы найден локальный минимум, соответствующий термодинамическому равновесию дисперсной частицы с дисперсионной средой. При нагреве расплава до температуры, близкой к точкам ветвления температурных зависимостей вязкости, этот минимум исчезает, и микрогетерогенное равновесие становится невозможным.

6. Показана принципиальная возможность применения представлений реологии дисперсных систем к анализу результатов вискозиметрического эксперимента с микрогетерогенными расплавами.

7. На основе представлений теории Френкеля-Эйринга проведен анализ результатов вискозиметрического исследования расплавов простых эвтектик Al-Sn, Al-Si и Al-Ge. Оценены размеры дисперсных частиц и величина межфазного натяжения на их границах. Расчеты показали, что гомогенизация металлической жидкости приводит к уменьшению характерного размера структурной единицы вязкого течения от величин ?1-7нм на порядок, что отвечает образованию однородного на атомном уровне раствора. В результате вычислений межфазного натяжения на границах структурных единиц вязкого течения установлено, что процесс их самопроизвольного диспергирования для расплавов на основе алюминия может продолжаться до частиц указанного масштаба.

8. Проведен кинетический анализ возможных причин длительного существования неравновесных микрогетерогенных состояний в бинарных расплавах на основе алюминия. Выделено три стадии процесса диффузионного растворения: уменьшение радиуса фрагмента при сохранении его исходного состава; последующее растворение частицы жидкого металла, возникшей на месте данного фрагмента, при наличии избыточной свободной энергии на ее границах и, наконец, стадия выравнивания концентрации после исчезновения ярко выраженного переходного слоя на границе растворяющегося фрагмента. Показано, что аномально медленное течение процесса растворения (порядка десятка часов) характерно на всех трех стадиях растворения для фрагментов тугоплавких металлов и их соединений, и на последних двух стадиях - для легкоплавких металлов и полуметаллов.

9. Показано, что и в промышленных сплавах на основе алюминия также отмечается ветвление температурных зависимостей вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении образцов, которое сопровождается существенными изменениями структуры и механических свойств литого металла. На основе полученных результатов разработаны технологические рекомендации по оптимизации режимов выплавки ряда промышленных сплавов с целью повышения их качества.

Основные результаты диссертации

опубликованы в работах:

1. Попель, П. С. Область существования метастабильной микрогетерогенности в расплавах Al-Sn [Текст] / П. С. Попель, О. А. Коржавина (Чикова) // Журн. физ. химии. – 1989. – Т. 63, вып. 3. – С. 838-841.

2.Коржавина, О. А. Вязкость расплавов Al-Sn [Текст] / О. А. Коржавина (Чикова), П. С. Попель // Расплавы. – 1989. – № 5. – С. 116-119.

3. Влияние температурной обработки расплава Al-Sn на структуру и свойства литого металла [Текст] / П. С. Попель [и др.] // Технология легких сплавов (ВИЛС). – 1989. – № 4. – С. 87-91.

4. А. с. 1630138. Способ получения полуфабрикатов из гранул алюминиевых сплавов [Текст] / В. И. Тарарышкин [и др.]. – № 4699594 ; заявка 31.05.89. ДСП.

5. О влиянии структурного состояния расплава Al-Ge на взаимную растворимость компонентов в твердой фазе [Текст] / О. А. Коржавина (Чикова) [и др.] // Расплавы. – 1989. – № 6. – С. 106-108.

6. Структура и свойства быстроохлажденного сплава Al-8мас % Fe[Текст] / И. Г. Бродова [и др.] // Расплавы. – 1990. – № 1. – С. 16-20.

7. Структурные исследования быстрозакристаллизованных Al-Sc сплавов./ Бродова И.Г., Поленц И.В., Коржавина (Чикова) О.А. и др.//Расплавы 1990. №5. с.73-79.

8. Необратимые изменения вязкости расплавов Al-Mn при высоких температурах [Текст] / О. А. Коржавина (Чикова) [и др.] // Расплавы. – 1990. – № 6. – С. 23-28.

9. Коржавина, О. А. Область существования метастабильной коллоидной микронеоднородности в расплавах системы Al-Ge [Текст] / О. А. Коржавина (Чикова), П. С. Попель, Б. П. Домашников // Изв. АН СССР. Неорганич. материалы. – 1991. – Т. 27, № 7. – С. 1424-1427.

10. Вязкость и электросопротивление расплавов Al-Si и влияние их структурного состояния на строение литого металла [Текст] / О. А. Коржавина (Чикова) [и др.] // Расплавы. – 1991. – № 1. – С. 10-17.

11. Голубев С.В. Коржавина (Чикова) О.А., Попель П.С. и др. Влияние вязкости и электросопротивления на структурное состояние расплавов Al-Sc и строение литого металла/ Изв. АН СССР. Металлы. 1991. №1 с. 36-52.

12. Особенности структурообразования при кристаллизации сплавов Al-In [Текст] / П. С. Попель [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 1992. – № 9. – С. 111-115.

13. А. с. 1767005. Способ получения сплавов монотектического типа на основе алюминия [Текст] / П. С. Попель [и др.]; опубл. 07.10.92, Бюл. № 37.

14. Явление структурной наследственности с точки зрения коллоидной модели микрогетерогенного строения металлических расплавов [Текст] / П. С. Попель [и др.] // Цвет. металлы. – 1992. – № 9. – С. 53-56.

15. Влияние гомогенизирующей термической обработки расплавов на структуру быстрозакаленных алюминиевых сплавов [Текст] / И. Г. Бродова [и др.] // Литейное пр-во. – 1994. – № 1. – С. 20-22.

16.Popel P.S., Chikova O.A., Matveev V.M. Metastable colloidal states of liquid metallic solutions // High Temperature Materials and Processes. 1995. Vol. 4, No. 4. P. 219-233.

17. Влияние присадок Mg, Gd, Zn, Cd, Zr, Sc, B, Ti и Mn на термическую устойчивость микрогетерогенного состояния расплавов Al-5.4ат.%Sn [Текст] / В.М. Матвеев[и др.] // Расплавы, 1995, №2, с.82-86.

18.Взаимосвязь структурного состояния жидких и твердых сплавов Al-Pb [Текст] / Т. Д. Суханова [и др.] // Расплавы. – 2000. – № 6. – С. 11-15.

19.Взаимосвязь структурного состояния твердых и жидких сплавов Al-Co [Текст] / Е. В. Рожицына Е. В. [и др.] // Расплавы. – 2002. – № 5. – С. 36-41.

20. Кофанов, С.А. Вязкость жидких сплавов Al-Ni [Текст] / Кофанов С.А., Чикова. О.А., Попель П.С. // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2003 - № . - С. 63-65.

21.Колобова, Т. Д. Вязкость жидких сплавов Ga-Pb [Текст] / Т. Д. Колобова, О. А. Чикова, П. С. Попель // Изв. РАН. Металлы. – 2004. – № 6. – С. 32-35.

22.Кофанов, С. А. Вязкость жидких сплавов Al-Ni [Текст] / С. А. Кофанов, О. А. Чикова, П. С. Попель // Расплавы. – 2004. – № 3. – С. 30-37.

23.Влияние олова на термическую устойчивость метастабильного микрогетерогенного состояния расплавов Ga-Pb [Текст] / Т. Д. Колобова [и др.] // Расплавы. – 2005. – № 1. – С. 49-53.

24.Чикова, О.А. Процесс диффузионного взаимодействия твердого и жидкого металлов (компьютерный эксперимент и анализ его результатов) [Текст]/ Чикова О.А., Витюнин М.А. // Расплавы. - 2007. - № 5. - С. 78-87.

25.Лыкасов, Д.К. Вязкость расплавов Al-Cu [Текст]/ Лыкасов Д.К., Чикова О.А. //Расплавы - 2007. - № 4. - С.31-36.

26.Чикова О.А. Флуктуационный свободный объем как характеристика структрного состояния металлической жидкости[Текст] // Расплавы. - 2008.- №9. - С. 65-76.

27.Чикова О.А. Самопроизвольное диспергирование в процессах сплавообразования как причина микрорасслоения металлических расплавов[Текст] //Расплавы. - 2008. - №9. - С. 54-64.


загрузка...