Было подтверждено наличие тройного соединения, близкого по составу к известному, что предполагает протекание как минимум двух нонвариантных реакций: эвтектической и перитектической.

Эвтектическая температура квазибинарного разреза (Al)-Al₁₀CeFe₂ (640 °C) ниже температуры эвтектики (Al)-Al₃Fe (655 °C) и, кроме того, отсутствуют какие- либо следы тройной эвтектики (Al)-Al₁₀CeFe2-Al₃Fe.

В процессе нагрева, так же как и в случае системы Al-Ce-Ni, происходят процессы фрагментации и сфероидизации эвтектических фаз, однако тройное соединение отличается большей стабильностью по сравнению с двойными алюминидами.
 
В алюминиевом углу системы Al-Fe-Ni имеют место два инвариантных превращения: перитектическое и эвтектическое.
Тройная эвтектика (Al)+Al₉FeNi+Al₃Ni не обнаруживает существенных преимуществ перед двойными ни по дисперсности строения колоний, ни по объемной доле алюминидов.

В то же время эвтектический и доэвтектические сплавы с соотношением Fe/Ni ≈ 1 имеют достаточно дисперсную структуру, что, вероятно, связано с наличием квазибинарного разреза Al-Al₉FeNi.

Тройное соединение улучшает характеристики жаропрочности, что обусловливает совместное присутствие железа и никеля в некоторых литейных и деформируемых промышленных алюминиевых сплавах (АА393.0, АА2618, АА8001 и др.).
 
Для оценки термической стабильности литой структуры изучали влияние термической обработки в интервале 300—600 °C в течение 3 ч на твердость и морфологию разных фаз эвтектического происхождения.

Отжиг при 300—400 °C не оказывает заметного влияния на твердость всех изученных сплавов, что обусловлено сохранением исходной эвтектической структуры (нефрагментированной).
Существенные изменения в морфологии двойных алюминидов были выявлены после отжига при 450 °C, т. е. в условиях, когда заведомо происходят фрагментация и сфероидизация эвтектических частиц.

В результате структура становится похожей на формирующуюся после нагрева быстрозакристаллизованных сплавов: появляются глобулярные алюминиды размером 0,1—1,0 мкм, равномерно распределенные в алюминиевой матрице.

Нагрев до 600 °C приводит к коалесценции частиц алюминидов, и их размер увеличивается до ≈ 5 мкм.
Тройные фазы Al₉FeNi и Al₁₀CeFe₂ показывают более высокую стойкость к морфологическим изменениям: заметная фрагментация выявляется только при температуре 500 °C.
Процессы фрагментации, сфероидизации и коалесценции приводят к разупрочнению сплавов, что иллюстрируют зависимости твердости от температуры отжига.
 
Изучены четверные сплавы (25 образцов) на основе алюминия в интервале концентраций: 0—16% Ce, 0—4% Fe и 0—4% Ni.
Новые фазы (по сравнению с тройными системами) не обнаружены.

При избытке железа и никеля наиболее вероятно образование двух других эвтектик с участием фаз Al₃Ni и Al₁₀CeFe₂.
В пользу второй реакции свидетельствует то, что в сплавах с избытком церия при соотношении Fe:Ni ≈ 2:1 (т.е при явном избытке железа по отношению к его содержанию в фазе Al₉FeNi) формируется эвтектика с наиболее дисперсной структурой по сравнению с другими сплавами данной системы.
Ее четырехфазное строение проявляется после длительного отжига при 600 °C, в процессе которого формируются глобулярные включения трех избыточных фаз.

Длительный нагрев (∼1000 ч) до 400 °C четырехфазной эвтектики (Al)+Al₄Ce+Al₉FeNi+Al₁₀CeFe₂ показал ее достаточно высокую термическую стабильность.
Полученные результаты вполне отвечают представлениям об оптимальной структуре жаропрочных литейных алюминиевых сплавов.

К существенному недостатку этих сплавов следует отнести их высокую стоимость (из-за большого содержания церия).

При содержании церия менее 3% можно добиться исчезновения фазы Al₄Ce и его полного связывания в фазу Al₁₀CeFe₂, в которой никель практически не растворяется.
Однако колоний тройной эвтектики (Al) + Al₉FeNi + Al₁₀CeFe₂ не обнаружено, хотя методом световой микроскопии выявлены колонии двух двойных эвтектик (Al) + Al₉FeNi и (Al) + Al₁₀CeFe₂.

Первая из них имеет более грубое строение и не образует непрерывной сетки, поскольку кристаллизуется при более высоких температурах, чем вторая эвтектика.
 
На первом этапе изучали структуру литых и термообработанных двойных алюминий-циркониевых сплавов, содержащих от 0,2 до 1,5% Zr.
Установлено, что в условиях специального режима ведения плавки практически весь цирконий в количестве до 0,8—1% растворяется в (Al), т.е. формируется однофазная структура.

При содержании циркония более 1%, а в случае низкой температуры литья и при меньшей концентрации в структуре обнаруживаются первичные кристаллы фазы ZrAl₃ иглообразной или компактной формы.
Часто вокруг этих кристаллов в растровом электронном микроскопе наблюдаются многослойные ободки, которые светлее алюминиевой матрицы, но темнее фазы ZrAl₃.

Определение состава этих слоев показало, что они обогащены цирконием (до 10% и более), т.е. в результате неравновесной кристаллизации наряду с образованием пересыщенного твердого раствора возникает сильная ликвация по составу, которая возрастает с увеличением концентрации циркония в (Al).

В интервале температур 350 - 450 °C происходит распад твердого раствора (Al), что сопровождается упрочнением структуры сплава за счет выделения метастабильного алюминида Al₃Zr.

Режим старения, при котором достигается максимальное упрочнение, зависит от концентрации циркония в (Al), поскольку более легированные твердые растворы распадаются быстрее.

C ростом концентрации циркония до 0,8% эффект дисперсионного упрочнения увеличивается (твердость возрастает от 25—35 до 55 HB), дальнейшее же обогащение цирконием не оказывает значительного влияния.

С целью сокращения времени достижения максимального упрочнения структуры сплава целесообразно использовать двухступенчатый нагрев, например при 350 °C (3 ч) и при 450 °C (3 ч).
При нагреве до более высоких температур (до 600 °C) достигнутое упрочнение ликвидируется, что связано с трансформацией метастабильного алюминида в стабильный и уменьшением плотности выделений.

Структура алюминий-циркониевых сплавов достаточно устойчива к длительным высокотемпературным отжигам.
При 350 °С сплав не разупрочняется в течение 1000 ч, при 400 °С — 500 ч, что говорит об устойчивости метастабильной фазы Al₃Zr к длительным нагревам при температурах эксплуатации новых жаропрочных сплавов.

При введении циркония в сплавы эвтектического типа, легированные никелем, железом и церием, новых фаз обнаружено не было.
Характер распада алюминиевого твердого раствора не меняется по сравнению с таковым для сплавов, имеющих в литом состоянии однофазную структуру.

Исследование структуры дендритных ветвей (Al) после старения показало наличие вторичных выделений Al₃Zr, размер которых в основном определяется режимом старения.
Иногда внутри эвтектики встречаются первичные кристаллы Al₃Zr.

Изучение зависимости твердости сплавов системы Al-Ce-Fe-Ni-Zr от температуры отжига показало, что наибольшей твердостью обладают эвтектические сплавы, легированные цирконием.

При температурах свыше 400 °С прирост твердости у эвтектических сплавов меньше, что связано с интенсивно протекающими процессами фрагментации и сфероидизации интерметаллидных фаз в эвтектике, приводящими к разупрочнению.

После длительной выдержки в течение 1000 и 600 ч при 350 и 400 °С соответственно разупрочнение сплавов не наблюдалось.

В сплавах системы Al-Ce-Ni-Fe-Zr, содержащих менее 3% Ce, отсутствует фаза Al₄Ce, что способствует еще более их высокой термической стабильности.

Таким образом, введение циркония в жаропрочные сплавы на базе системы Al-Ce-Ni-Fe в количестве до 0,8% является эффективным средством упрочнения алюминиевой матрицы, при этом добавка Zr не оказывает существенного влияния на состав и морфологию алюминидов эвтектического происхождения.
 
Исследованы фазовые составы и особенности микроструктуры сплавов системы Al-Ce-Fe-Ni-Zr, полученных литьем при скорости охлаждения ∼ 10 °С/с и содержащих до 16% Ce, 4% Fe, 10% Ni и 1,5% Zr.

Только фазы, существующие в тройных системах, могут быть в равновесии с алюминиевым твердым раствором: Al₄Ce, Al₃Ni, Al₃Fe, Al₉FeNi, Al₁₀CeFe₂.

Нонвариантные реакции идентифицированы как:
а) L → (Al) + Al₄Ce + Al₉FeNi (квазитройная);
б) L → (Al) + Al₄Ce + Al₉FeNi + Al₃Ni;
в) L → (Al) + Al₄Ce + Al₉FeNi + Al₁₀CeFe₂;
г) L + Al₃Fe → (Al) + Al₉FeNi + Al₁₀CeFe₂.

Тройные алюминиды эвтектического происхождения имеют более высокую термическую стабильность по сравнению с двойными.
Микроструктура некоторых эвтектик данной системы, в частности (Al) + Al₄Ce + Al₉FeNi + Al₁₀CeFe₂, при содержании более 20% (об.) алюминидов отличается высокой дисперсностью.
Это свидетельствует о принципиальной возможности разработки новых близких по структуре к быстрозакристаллизованным литейных алюминиевых сплавов с высокими механическими свойствами при 20 °С и повышенных температурах.

Добавка циркония в сплавы Al-Ce-Fe-Ni распределяется между (Al) и фазой Al₃Zr, другие фазы не обнаружены.
Концентрация циркония (0,8% масс.) в литом (Al) приводит к значительному дисперсионному упрочнению сплавов (прирост твердости 35 - 40 НВ) после отжига при 350—450 °C.

Из-за относительно высокой стоимости экспериментальных композиций, прежде всего за счет повышенной концентрации церия, представляется необходимым продолжить исследования по получению дисперсной эвтектической структуры в многокомпонентных экономно легированных сплавах с максимальным содержанием железа и минимальной концентрацией дорогостоящей добавки.

При этом наличие церия до 2—3% является, вероятно, оправданным, поскольку этот элемент способствует образованию тройных и возможно более сложных фаз, повышающих жаропрочность сплавов.


Н. А. Белов — доктор технических наук, профессор кафедры металловедения цветных металлов Московского государственного института стали и сплавов (МИСиС).
В. С. Золоторевский — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металловедения цветных металлов МИСиС

117936 Москва, Ленинский просп, д. 4, МИСиС, тел. (095)236-31-29, E-mail nick-belov@mail.ru, zolotor@mtr.misa.ac.ru


Читать...