Теплофизические свойства сплавов Zn5Al, Zn55Al, легированными редкоземельными металлами

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №10_

ФИЗИКА

УДК 536.7+544.971

З.Низомов, Р.Х.Саидов, Дж.Г.Шарипов, Б.Н.Гулов

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ Zn5Al, Zn55Al, ЛЕГИРОВАННЫМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Таджикский национальный университет

Исследована температурная зависимость теплоёмкости сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных скандием, иттрием, празеодимом, церием, неодимом и европием. Определена температурная зависимость энтальпии, энтропии и энергии Гиббса.

Ключевые слова: сплавы - теплоёмкость - редкоземельные металлы.

Сведения о фундаментальных тепловых свойствах металлов и сплавов, определяют их промышленное использование. В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования теплофизических свойств сплавов Zn5Al, Zn55Al, легированных различной концентрацией редкоземельных (РЗМ) металлов, методом охлаждения. Во всех исследованных системах наблюдается аномальное охлаждение [1-3]. В качестве примера на рис. 1 приведена зависимость температуры сплава Zn5Al, легированного неодимом концентрации 0.05% (по массе) от времени охлаждения. Кривая (1) соответствует экспериментальным данным, кривая (2) получена при предположении равномерного охлаждения с помощью программного обеспечения типа Microcal Origin 6.0. Базовая линия (2) описывается уравнением

где Т0 - температура окружающей среды, Т — Т0, Т2 — Т0 - амплитуда первого и второго процессов, разность температур нагретого тела и окружающей среды в момент начала измерений, тх и т2 - постоянная охлаждения для первого и второго релаксационных процессов [4-6]. Дифференцируя (1), получим уравнение для скорости охлаждения:

T = To +

dT_ ёт

f t - T

T - T

e-tTi + J2 ±o e-т/т2

Адрес для корреспонденции: Низомов Зиёвуддин. 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. Рудаки, 17, Таджикский национальный университет. E-mail: nizomov@mail.ru

Рис.1. Кривые охлаждения сплава Zn5Al+0.05% №.

зоозюжюлмюобюеооею

Рис. 2. Температурная зависимость удельной теплоёмкости сплава Zn5Al, легированного празеодимом различной концентрации.

Используя литературные данные по теплоёмкости алюминия и цинка [4-6], по правилу Ней-мана-Коппа определили теплоёмкость сплавов Zn5Al и Zn55Al. Далее, используя теплоёмкость сплавов и экспериментально полученные нами величины скорости охлаждения, вычислили температурную зависимость коэффициента теплоотдачи по следующей формуле:

а

С

т

Т

я

Для сплавов Zn5Al и Zn55Al температурная зависимость коэффициента теплоотдачи имеет

вид:

I а(Т )|

2пЪ А1

=6.7295 + 0.0036 Т + 5.0 10-5 Т2 - 2.5534 10-8 Т3;

I а(Т )|

2п55 А1

=4.1912 + 0.0028 Т + 4.5684 10-5 Т2 - 2.7127 10-8 Т3.

Для вычисления теплоёмкости легированных сплавов использовали коэффициент теплоотдачи для исходных сплавов Zn5Al и Zn55Al уравнений (4) и (5), считая, что он не зависит от концентрации легирующего металла и скорости охлаждения для базовой линии по формуле:

С (Т ) =

Исследована температурная зависимость теплоёмкости сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных скандием, иттрием, празеодимом, церием, неодимом и европием. В качестве примера на рис. 2 приведена зависимость удельной теплоёмкости сплава Zn55Al, легированного различными концентрациями празеодима. Зависимость теплоемкости от температуры в интервале 303-633 К выражается

уравнением С (Т) = а0 + Ъ0Т + с0Т2 + й0Т3 [5,6]. Значения коэффициентов в этом уравнении для исследованных систем приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов в уравнении С (Т) .

ao Ь0 с0, 10-4 а0, ю-'

ги 325.44 0.37 -7.00 7.60

Л1(Л7) 699.84 0.96 -12.00 8.64

8с 463.83 0.38 -5.00 3.06

У 281.64 0.04 0.62 0.28

Рг 118.12 0.30 -3.00 1.94

№ 165.22 0.08 -0.02 0.50

Ей 158.43 0.07 -0.34 0.46

Ьа 180.36 0.10 -2.00 2.19

Се 113.43 0.33 3.00 1.67

ги5Л1 (1) 344.16 0.40 -7.00 7.65

ги55Л1 (2) 531.36 0.69 -10.00 8.17

(2)+0.005 Ш 528.08 0.39 1.34 -2.29

(2)+0.05 № 521.76 0.31 2.97 -3.48

(2)+0.005 Рг 587.19 0.14 -1.10 3.95

(2)+0.05 Рг 608.09 0.01 2.65 0.82

(2)+0.5 Рг 586.28 0.23 -1.26 2.98

(2)+0.005 8с 388.57 0.13 -1.00 15.65

(2)+0.1 8с 412.73 0.21 -0.28 1.86

(2)+0.5 8с 518.02 0.29 -11.00 23.09

(2)+0.005 У 535.20 0.27 3.50 -4.10

(2)+0.01 У 543.41 0.32 2.50 -2.91

(2)+0.5 У 519.26 0.64 -11.00 9.79

(2)+0.005Се 539.93 0.65 -10.00 8.79

(2)+0.5Се 540.58 0.63 -10.00 8.81

(2)+0.005Еи 503.26 0.76 -9.35 6.47

(2)+0.5Еи 548.37 0.22 6.18 -6.68

(1)+0.005 Рг 410.01 0.04 - 2.20 6.20

(1)+0.05 Рг 325.89 0.43 - 6.70 6.02

(1)+0.5 Рг 320.34 0.37 - 5.37 6.19

(1)+0.005 Се 359.89 0.04 5.30 -4.12

(1)+0.05 Се 356.56 0.20 -3.20 5.94

(1)+0.005 У 346.25 0.26 -5.95 8.46

(1)+0.01 У 391.66 0.19 -6.89 10.54

(1)+0.5 У 340.32 0.02 -5.66 -4.27

(1)+0.005 Еи 348.78 0.10 1.85 -0.25

(1)+0.01 Еи 392.33 0.01 2.70 -0.29

(1)+0.5 Еи 354.35 0.09 2.86 -1.11

(1)+0.005 8с 386.24 0.14 -2.30 4.83

(1)+0.5 8с 386.70 0.003 3.70 -2.01

(1)+0.05 ш 379.12 0.28 -7.90 10.69

Полученные экспериментальные результаты показывают, что теплоёмкость легированных сплавов меньше, чем для исходного сплава и с повышением температуры растёт. С ростом концентрации легированного металла теплоёмкость меняется различно. Для сплавов ги55Л1, легированных европием, церием и неодимом, с ростом концентрации теплоёмкость уменьшается, а для сплавов, легированных празеодимом и скандием, увеличивается. Сложный характер зависимостей теплоёмкости от концентрации свидетельствует о совокупном влиянии ряда факторов на составляющие теплоёмкости.

Для вычисления температурной зависимости энтальпии, энтропии и энергии Гиббса использовали интегралы от молярной теплоемкости:

ЩТ) = Н(0) + $Ср (ТУТ, £(Г) = | Ср (ТУЫТ, (5(Т)=Н(Т)-Т 8(Т).

На рис. 3-5 приведены зависимости энтальпии, энтропии и энергии Гиббса от температуры для сплава Zn55Al, легированного неодимом в интервале температуры 300 К до 630 К.

300 400 Я» МО 700

Рис.3. Зависимость энтальпии от температуры для сплава 2п55А1. легированного неодимом.

Рис.4. Зависимость энтропии от температуры для сплава 2п55А1. легированного неодимом.

Рис.5. Зависимость энергии Гиббса от температуры для сплава Zn55Al, легированного неодимом.

Таблица 2

Значение коэффициентов в уравнении зависимости энтальпии, энтропии и энергии Гиббса

от температуры: Ь,10-3; c, 10-6; ё, 10-9

о

о

Сплав al Ь1 a2 Ь2 C2 d2 aз Ь3 Cз dз

Zn55Al (2) 19.5 12.7 -12.2 7.5 19.5 25.4 -18.3 10.0 19.5 12.7 -6.1 2.5

(2)+0.005№ 19.3 7.1 1.6 -2.1 19.3 14.2 2.4 -2.8 19.3 7.08 0.81 -0.70

(2)+0.05Nd 19.1 5.7 3.6 -3.2 19.1 11.5 5.4 -4.3 19.1 5.8 1.8 -1.1

(2)+0.005Pr 21.5 2.6 -1.3 3.6 21.5 5.1 -2.0 4.8 21.5 2.6 -0.7 1.2

(2)+0.05Pr 22.3 0.2 3.2 0.7 22.3 0.4 4.9 1.0 22.3 0.2 1.6 0.2

(2)+0.5Pr 21.5 4.2 -1.5 2.7 21.5 8.4 -2.3 1.6 21.5 4.2 -0.8 0.9

(2)+0.005Sc 14.2 2.5 -1.2 14.3 14.2 4.9 -1.8 19.1 14.2 2.5 -0.6 4.8

(2)+0.01Sc 15.1 3.9 -0.3 10.9 15.1 7.8 -0.5 14.5 15.1 3.9 -0.2 3.6

(2)+0.5Sc 19.0 0.5 -13.4 21.2 19.0 1.1 -20.2 28.2 19.0 0.5 -6.7 7.0

Сплав a: b1 C1 d1 a2 b2 C2 d2 as b3 C3 d3

(2)+0.005Y 19.6 5.0 4.3 -3.8 19.6 10.0 6.4 -5.0 19.6 5.0 2.1 -1.2

(2)+0.01 Y 19.9 5.8 3.0 -2.7 20.0 11.6 4.6 -3.6 19.9 5.8 1.5 -0.9

(2)+0.5 Y 19.0 11.6 -13.4 9.0 19.0 23.3 -20.2 11.9 19.0 11.6 -6.7 3.0

(2)+0.005Ce 19.8 11.9 -12.2 8.0 19.8 23.9 -18.3 10.7 19.8 11.9 -6.1 2.7

(2)+0.5 Ce 19.8 11.5 -12.2 8.1 19.8 23.0 -18.3 10.8 19.8 11.5 -6.1 2.7

(2)+0.005Eu 18.4 13.9 -11.4 5.9 18.4 27.8 -17.1 7.9 18.4 13.9 -5.71 2.0

(2)+0.5Eu 20.1 4.1 7.5 -6.1 20.1 8.2 11.3 -8.1 20.1 4.1 3.8 -2.0

Zn5Al (1) 21.0 12.2 -14.2 11.7 21.0 24.3 -21.3 15.6 21.0 12.2 -7.1 3.9

(1)+ Pr 0,005 25.0 1.2 -4.5 9.5 25.0 2.5 -6.7 12.6 25.0 1.2 -2.2 3.2

(1)+ Pr 0.05 19.9 13.0 -13.6 9.2 19.9 26.0 -20.5 12.2 19.9 13.0 -6.8 3.1

(1)+ Pr 0.5 19.6 11.4 -10.9 9.5 19.6 22.8 -16.4 12.6 19.6 11.4 -5.5 3.1

(1)+0.005 Ce 21.9 1.2 10.8 -6.3 21.9 2.4 16.2 -8.4 21.9 1.2 5.4 -2.1

(1)+0.05 Ce 21.7 6.2 -6.5 9.1 21.7 12.4 -9.8 12.1 21.7 6.2 -3.2 3.0

(1)+0.005 Y 21.1 7.9 -12.1 12.9 21.1 15.7 -18.1 17.2 21.1 7.9 -6.0 4.3

(1)+0.01 Y 23.9 5.7 -14.0 16.1 23.9 11.5 -21.0 21.4 23.9 5.7 -7.0 5.4

(1)+0.5 Y 20.8 0.7 -11.5 -6.5 20.8 1.5 -17.3 -8.7 20.8 0.7 -5.7 -2.2

(1)+0.005 Eu 21.3 2.9 3.8 -0.4 21.3 5.9 -5.6 -0.5 21.3 2.9 1.9 -0.1

(1)+0.01 Eu 23.9 0.3 5.5 -0.4 23.9 0.6 8.2 -0.6 23.9 0.3 2.7 -0.1

(1)+0.5 Eu 21.6 2.7 5.8 -1.7 21.6 5.3 8.7 -2.3 21.6 2.7 2.9 -0.6

(1)+0.005 Sc 23.6 4.2 -4.7 7.4 23.6 8.5 -7.0 9.8 23.6 4.2 -2.3 2.5

(1)+0.5 Sc 23.6 0.1 7.5 -3.1 23.6 0.2 11.3 -4.1 23.6 0.1 3.8 -1.0

(1)+0.05 Nd 23.1 8.3 -16.1 16.3 23.1 16.6 -24.1 21.7 23.1 8.3 -8.0 5.4

Получены уравнения зависимости энтальпии, энтропии и энергии Гиббса от температуры, позволяющие вычислить их значения в интервале температуры 300-673 К. Установлено, что энтальпия легированных сплавов меньше, чем энтальпия исходных сплавов, и увеличивается с повышением температуры, энтропия легированных сплавов с повышением температуры увеличивается, энергия Гиббса отрицательна и с повышением температуры уменьшается. Как в случае теплоёмкости, концентрационная зависимость, энтальпия, энтропия и энергия Гиббса сложные, то есть для одних легированных металлов они увеличиваются, а для других уменьшаются.

Основными методами физико-химического анализа (ВДТА, МСА, РФА, потенциодинамиче-ский метод) в работе [7] подтверждено существование тройных соединений переменного состава в системах Al-Be-Y(La, Ce).

Поступило 13.07.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Низомов З., Саидов Р.Х., Шарипов Дж.Г., Авезов З. Теплофизические свойства цинк-алюминиевых сплавов, легированных ЩЗМ и РЗМ. - Вестник технического университета, 2015, вып.4(32), с. 30-34.

2. Шарипов Дж. Г., Низомов З., Саидов Р.Х. Температурная зависимость теплофизических свойств сплава ги5Л1. - Вестник таджикского национального университета. Сер.естествен. н., 2015, вып.1/5(188), с. 117-120.

3. Низомов З., Шарипов Дж., Табаров Ф.С. Температурная зависимость термодинамических свойств сплавов Гальфан I и Гальфан II легированными редкоземельными металлами. - Мат-лы межд. науч. конф. «Нано-2014». - Душанбе: Дакики, 2014, с.43-46.

4. Низомов З., Гулов Б., Саидов Р.Х. Теплоемкость алюминия марки A5N, его сплавов с кремнием, медью и редкоземельными металлами. - Доклады Академии наук Республики Таджикистан, 2014, т. 57, №11-12, с. 843-849.

5. 5. Низомов З., Гулов Б.Н., Саидов Р.Х., Авезов З. Исследование удельной теплоемкости алюминия, меди и цинка методом охлаждения и сравнение с теорией Дебая. - Мат-лы IV Межд. науч.-практ. конф. «Перспективы развития науки и образования». - Душанбе: Изд-во ТТУ им. акад. М.С.Осими, 2010, с.188-191.

6. гулов б.н. теплофизические свойства особочистого алюминия и его сплавов с кремнием, медью и некоторыми редкоземельными металлами. - Автореф. ... к.физ.-мат. н.- Душанбе, 2015, 18 с.

7. Саидов Р.Х., Ганиев И.Н., Одинаев Х.О. Металлохимия алюминиево-бериллиевых сплавов с редкоземельными металлами. - Доклады Академии наук Республики Таджикистан, 2007, т. 50, №910, с. 753-756.

З.Низомов, Р.Х.Саидов, Ч,.Г.Шарипов, Б.Н.Гулов

ХОСИЯТ^ОИ ТЕРМОФИЗИКИИ ХУЛА^ОИ Zn5Al ВА Zn55Al БО МЕТАЛХОИ НОДИРЗАМИНЙ ^АВ^АРОНИДА

Донишго^и миллии Тоцикистон

Вобастагии гармигунчоиши хулах,ои Zn5Al ва Zn55Al, ки бо консентратсиях,ои гуногуни металх,ои нодирзаминй чавхдронида шудаанд, тадки; ва вобастагии энталпия, энтропия ва энергияи Гиббс аз температура муайян карда шудааст. Калима^ои калиди: синк - гармигунцоиш - металуои нодирзаминй.

Z.Nizomov, R.H.Saidov, J.G.Sharipov, B.N.Gulov THERMAL PROPERTIES OF Zn5Al, Zn55Al ALLOYS, ALLOYED RARE EARTH METALS

Tajik National University

The temperature dependence of the specific heat and alloys Zn5Al, Zn55Al, doped with scandium, yttrium, praseodymium, cerium, neodymium and europium. The temperature dependence of enthalpy, entropy and Gibbs energy are investigated. Key words: alloys - specific heat - rare earth metals.