Синтез нанокристаллических материалов, включающих металлокерамику и интерметаллиды

А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков, В. Н. Доронин,

И. Д. Сорокина

СИНТЕЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЮЩИХ МЕТАЛЛОКЕРАМИКУ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ

Ключевые слова: интерметаллиды, металлокерамика, прекурсор, железо, алюминий.

Методом спекания дисперсных прекурсоров, содержащих элементные железо и алюминий и полученных электрохимическим способом, предложено синтезировать нанокристаллические материалы, включающие металлокерамику и интерметаллиды.

Keywords: intermetallics, cermet, precursor, iron, aluminum.

The synthesis of nanocrystalline cermets and intermetallics materials by dispersed precursors sintering is proposed. Precursors containing elemental iron and aluminum are obtained by electrochemical method.

Интерметаллические соединения FeAl и Fe3Al обладают уникальными физическими и механическими свойствами, такими как высокая температура плавления, высокая твердость, малая плотность и хорошая стойкость к окислению и коррозии. Кроме того текучесть этих интерметаллических соединений увеличивается с повышением температуры до 600°С. Такое сочетание свойств делает интерметаллиды FeAl и Fe3Al полезными для использования в качестве нагревательных элементов, компонентов фильтров, высокотемпературных штампов, пресс-форм и инструментов [1].

Металлокерамика АЬОэ-Fe сочетает достаточно высокие твердость, прочность, огнеупорность, свойственные оксиду алюминия, с пластичностью и прочностью, характерными для железа. Такой кермет, имея относительно невысокую плотность, обладает достаточно высокой трещиностойкостью, ударной вязкостью и стойкостью к усталостному разрушению [2].

Разница в физических свойствах алюминия и железа весьма существенна: большое различие температур плавления, коэффициентов линейного расширения, теплопроводности и теплоемкости, наличие оксидной пленки у алюминия. Это осложняет синтез железоалюминиевых соединений. Сопоставление кристаллохимических свойств алюминия и железа свидетельствует о значительной их разнице. Несоответствие типов кристаллических решеток a-Fe и Al (BCC и FCC, различие в параметрах ~22%) и близость атомных радиусов при резко отличающихся значениях атомного веса объясняют ограниченную взаимную растворимость этих металлов. Растворимость железа в алюминии ничтожна и при температуре 655°С составляет 0,052%, а при 400°С близка к нулю. Согласно [3], в системе Fe-Al существуют твердые фазы Fe3Al (ß1), FeAl (ß (разупорядоченная), ß2(упорядоченная)), Fe2Al3 (s), FeAh (£), FeAl3 (9), Fe2Als (n).

Для синтеза интерметаллидов и керметов на основе систем Fe-Al используется ряд методов, включая высокотемпературные: литье, порошковую металлургию, самораспрост-раняющийся высокотемпературный синтез (СВС), а также механохимический синтез.

Кроме того, возможен синтез интерметаллических и металлокерамических систем с помощью искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering - SPS) [4].

В настоящей работе целью является изучение возможности синтеза нанокристалли-ческих материалов, содержащих металлокерамику и интерметаллиды. Для этого использовались дисперсные прекурсоры, полученные электрохимическим методом и содержащие элементные железо и алюминий [5].

Химический и фазовый состав, тонкую структуру железоалюминиевых систем определяли методом рентгеновской дифрактометрии. Характерные дифрактограммы образцов приведены на рис.1.

20, град.

Рис. 1 - Дифрактограммы образцов, ат.% A1: 1 - 10; 2 - 30; 3 - 50

Дифрактограммы образцов близки по уровню фоновой линии и различаются между собой интенсивностью рефлексов. Все три образца содержат кубические модификации аРе и РезА1, а также ромбоэдрическую модификацию А12О3 (корунд).

Анализ профиля рефлексов РехА1 (РеА1 и Ре3А1) дифрактограммы образца №3 свидетельствует о наличии двух фаз, совокупность плоскостей одной из которых смещена относительно нулевой линии, что приводит к смещению и раздваиванию рефлексов. Появление РеА1 в образце №3 обусловлено более высоким содержанием алюминия в третьем прекурсоре.

Наличие интерметаллидов РеА1 и РезА1, а также а-Ре в образцах указывает на повышенное содержание железа в прекурсорах и невысокую скорость диффузии алюминия в железо. Отсутствие интерметаллидов в системе Ре-А1 с высоким содержанием алюминия объясняется тем, что при температурах 1000-1200°С скорость реакций окисления алюми-нидов железа с более высоким содержанием алюминия до соединений с менее высоким его содержанием [6]

РеА1з + О2 —— Ре2А15 + А12О3,

Ре2А15 + О2 — РеА12 + А12О3,

РеА12 + О2 — РеА1 + А12О3,

превышает скорость диффузии алюминия, которая ограничена из-за высокого содержания оксидов алюминия.

Кроме того, образование фаз с высоким содержанием алюминия сдерживается диффузией железа

FeAl3 + Fe ^ Fe2Al5,

Fe2Al5 + Fe ^ FeAl2,

FeAl2 + Fe ^ FeAl,

и преобладанием скорости диффузии атомов железа в интерметаллидный слой над скоростью диффузии атомов алюминия в железо.

Указанные реакции приводят к уменьшению концентрации алюминия в образцах. В результате их совместного протекания и диффузии алюминия в железо в спечённых образцах содержатся фазы, с меньшим содержанием алюминия: FeAl, Fe3Al и a-Fe.

Таким образом, установлено, что в результате диффузионных и окислительных процессов при термообработке прекурсоров системы Fe-Al образуются фазы: FeAl, Fe3Al и Al2O3 (корунд).

Экспериментальная часть

Синтез железоалюминиевых прекурсоров основан на электрохимическом процессе восстановления ионов железа(Ш) в водном растворе на алюминиевой подложке [5]. Синтезированные дисперсные прекурсоры состояли из a-Fe и различались содержанием алюминия, ат.%: 1 - 10; 2 - 30; 3 - 50.

Исследуемые компактные образцы материала были получены путем прессования и термообработки при следующих режимах: давление прессования - 50 МПа; температура нагрева -1000°С; время термообработки - 2,5 часа.

Полученные объекты анализировали на предмет фазового состава с помощью рентгеновского дифрактометра D8 ADVANCE (фирма Bruker) с использованием монохроматизированного CuKa-излучения в режиме шагового сканирования (30 kV, 20 mA, шаг сканирования 0.01°, экспозиция 1°/мин, щели 0,6*0,6). Расчет значений межплоскостных расстояний дифракционных рефлексов производился автоматически по программе EVA. Идентификация кристаллических фаз осуществлялась путем сопоставления полученных экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей с эталонными.

Исследование выполнено в рамках госконтракта №16.740.11.0207 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Литература

1. Enayati, M.H. Formation mechanism of Fe3Al and FeAl intermetallic compounds during mechanical alloying / M.H. Enayati, M. Salehi// Journal of materials science. - 2005. - V.40. - P.3933-3938.

2. Бардаханов, C. Структура и свойства нанокерамики на основе порошка оксида алюминия /

C. Бардаханов [и др.] // Наноиндустрия. - 2009. - №2. - P.2-5.

3. Кубашевски, О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Пер. с англ. / Под ред.

Л.А. Петровой. - М.: Металлургия, 1985. - 184 с.

4. Колпаков, М.Е. Получение керметов на основе наноразмерных оксида алюминия и железа / М.Е. Колпаков [и др.] // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2010. - №5. - С.85-88.

5. Дресвянников, А.Ф. Синтез наночастиц металлов триады железа в водных растворах / А.Ф. Дресвянни-ков, М.Е. Колпаков, Е.В. Пронина // Журнал общей химии. - 2010. - №10. - С.1591-1597.

6. Голованов, А.В. Структура и фазовый состав поверхностного слоя на сталях после алитирования / А.В. Голованов [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2008. - № 6. - С.42-45.

© А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; М. Е. Колпаков - канд. хим. наук, доц. той же кафедры, mikon78@mail.ru; В. Н. Доронин - вед. инж. ЦКП «Нанотехнологии и наноматериалы» КГТУ; И. Д. Сорокина - инж. НИО КГТУ.