Фазовый состав и физические свойства образцов системы Fe-Al-Mo, полученных SPS-методом

УДК 54-19

М. Е. Колпаков, А. Ф. Дресвянников, Е. А. Ермолаева

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ СИСТЕМЫ Fe-Al-Mo,

ПОЛУЧЕННЫХ SPS-МЕТОДОМ

Ключевые слова: железо, алюминий, молибден, искровое плазменное спекание, элементный и фазовый анализ.

Исследован элементный и фазовый состав объемных образцов, полученных методом искрового плазменного спекания дисперсных предшественников, содержащих алюминий, железо и молибден.

Keywords: iron, aluminum, molybdenum, spark plasma sintering (SPS), elemental and phase analysis.

The elemental and phase analysis of bulk samples, containing aluminum, iron, molybdenum, obtained by spark plasma sintering from disperse precursors, has been investigated.

Физические свойства материалов на основе системы Fe-Al сильно зависят от способа получения, их химического состава и приемов введения третьего элемента [1]. Молибден применяют в качестве легирующей добавки к различным сплавам, в том числе к системе Fe-Al. Молибден и молибденовые сплавы используются в деталях, длительно работающих при высоких температурах, в качестве конструкционного материала в энергетических ядерных реакторах, для изготовления оборудования, работающего в агрессивных средах, в катализе. Бинарные системы Fe-Al могут быть получены путем механохимического синтеза практически во всем диапазоне концентраций [2]. В случае системы Fe-Mo, механическое легирование способствует взаимной растворимости обоих элементов [3]. Однако эти системы, как и другие механически легированные материалы, характеризуются сложной структурой, состоящей из отдельных зерен, их дефектных границ, дислокаций [4].

Оптимальным решением проблемы получения материалов на основе системы Fe-Al-Mo с малым размером зерен и низкодефектными их границами может быть введение молибдена в ходе получения дисперсных прекурсоров системы Fe-Al в водных растворах [5], с последующим искровым плазменным спеканием (SPS) [6].

Поэтому целью работы было исследование элементного и фазового состава объемных образцов, полученных методом искрового плазменного спекания дисперсных прекурсоров системы Fe-Al-Mo, синтезированных электрохимическим методом в водных растворах.

Компактирование дисперсных образцов проводили с помощью искрового плазменного спекания в графитовой пресс-форме на установке 10-3, Thermal Technology LLC (Santa Rosa, Сalifornia) при давлении 60 МПа, температуре 900-1250 °С, вакуум 10-2 Па, время спекания - 5 мин.

Далее объемные образцы исследовали рентге-но-флуоресцентным и рентгенофазовым методами анализа на установках D2 PHAZER (Bruker) и S1 TITAN (Bruker) на предмет получения информации о фазовом и элементном составе. При расшифровке дифрактограмм использовали базу данных PDF-4. Кроме того, с помощью прибора Shimadzu HMV-2 измеряли микротвердость образцов по Виккерсу. Измерение прочности образцов (на изгиб) производили

на испытательной машине серии AG-X plus (Shimadzu).

Из таблицы 1, в которой представлены результаты рентгенофлуоресцентного анализа образцов систем Fe-Al-Mo и Fe-Mo, следует, что они содержат соответствующие элементы, а обработка концентрированным раствором гидроксида натрия (3,0 М) позволяет практически полностью удалить алюминий. Увеличение температуры спекания образцов Fe-Al-Mo приводит к росту содержания алюминия на поверхности объемных образцов, поскольку, будучи легкоплавким элементом, он легко диффундирует по направлению к ней. Это приводит к кажущемуся увеличению содержания алюминия в образце, что связано со спецификой взаимодействия рентгеновского излучения с материалом и расположением атомов алюминия в нем.

Таблица 1 - Результаты рентгенофлуоресцентного анализа объемных образцов систем Fe-Al-Mo и Fe-Mo

Элемент Содержание элементов, масс. %

Fe-Al-Mo Fe-Mo

дисперсный 1250°C 1000 °C 900 °C дисперсный 900 °C

Fe 74,59 73,24 72,40 73,44 78,17 83,07

Mo 22,22 17,24 20,30 21,54 20,88 15,88

Al 1,78 8,42 6,15 3,86 0,00 0,00

P 0,48 0,34 0,34 0,34 0,00 0,37

Co 0,58 0,44 0,48 0,50 0,61 0,38

Ti 0,29 0,29 0,30 0,29 0,29 0,27

Cu 0,06 0,03 0,03 0,03 0,05 0,03

Согласно данным рентгенофазового анализа, спеченные образцы Fe-Al-Mo и Fe-Mo содержат интерметаллические фазы Fe3Mo3 и Fe24Mo (рис.1). Это свидетельствует о протекании твердофазного процесса образования интерметаллической фазы из элементных Fe и Mo. Учитывая тот факт, что SPS-процесс протекает в графитовой пресс-форме можно констатировать проникновение углерода в материал образца при относительно длительной экспозиции (>5 мин.).

Компактные образцы системы Fe-Al-Mo, имеющие форму цилиндра с диаметром основания 20 мм и высотой 2 мм, обладают микротвердостью 493±25 HV (рис.2). Удаление алюминия из рассмот-

реннои системы приводит к снижению микротвердости - 337±9 HV (образцы Fe-Mo).

!-

: —«——

1, ,1 1 A. a jlLUU

Commander Sample ID {Coupled TwoThuln/rhela)

Jl

.........*.........*.........A.........+.........h.........*........*.........-M.......-tí.........W

Рис. 1 - Дифрактограммы компактных образцов систем Fe-Al-Mo

Результаты физико-механических испытаний образцов систем Бе-Л1-Мо и Бе-Мо демонстрируют (табл. 2) высокие значения прочности.

Таблица 2 - Результаты испытаний на прочность

Образец, Температура спекания Максимальная сила

Fe-Al-Mo 1000°C 636,36±31,82 186,44±9,32 2,89±0,15

Fe-Al-Mo 900°C 700,66±36,43 205,27±10,67 2,40±0,25

Fe-Mo 900°C 705,15±35,96 206,59±10,54 3,88±0,20

Таким образом, экспериментально доказано, что использование современного метода компактиро-вания дисперсных прекурсоров (искрового плазмен-

ного спекания), позволяет получать объемные образцы, содержащие интерметаллиды и характеризуемые высокими значениями прочности и твердости. Последнее может служить предпосылкой для создания порошковых материалов - аналогов известных сплавов.

Рис. 2 - Микрофотография поверхности объемного образца системы Fe-Al-Мо при измерении микротвердости

Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием по получению и исследованию наночастиц металлов, оксидов металлов и полимеров «Наноматериалы и нанотехнологии» в рамках утвержденного задания №4.1584.2014/к конкурсной части госзадания на 2014-2016 г.г.

Литература

1. Y. Jiraskova, J. Burslk, M. Hapla, I. Turek, J. Supercond. Nov. Magn. 28, 3, 905-910 (2015).

2. F. Cardellini, V. Contini, R. Gupta, G. Mazzone, A. Montone, A. Perin, G. Principi, J. Mater. Sci. 33, 10, 25192527 (1998).

3. H. Moumenia, S. Allega, J.M. Grenechec, J. Alloys Compd. 419, 1-2, 140-144 (2006).

4. L. Lu, M.O. Laia, S. Zhangb, J. Mat. Process. Technol. 67, 100-104 (1997).

5. А.Ф. Дресвянников, М.Е. Колпаков, ЖПХ. 87, 2, 190-197 (2014).

6. А.Ф. Дресвянников, М.Е. Колпаков, В.Н. Доронин, Вестник Каз. технол. ун-та. 14, 12, 27-31 (2011).

© М. Е. Колпаков - д.х.н., проф. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ; А. Ф. Дресвянников - д.х.н., проф. той же кафедры, a.dresvyannikov@mail.ru; Е. А. Ермолаева - к.х.н., доц. той же кафедры.

© M. E. Kolpakov - Dr.SC., Prof., Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management KNRTU; A. F. Dresvyânnikov - Dr.SC., Prof., the same Department, a.dresvyannikov@mail.ru; E. A. Yermolayeva - PhD, Ass. Prof., the same Department.