СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОРОШКА ПОЛУЧЕННОГО ХИМИЧЕСКИМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ СПЛАВА Al-Zr

АННОТАЦИЯ

Способ введения тугоплавких элементов для повышения свойств алюмооксидной керамики, как правило, осуществляется путем смешивания оксидов алюминия с окислами соответствующих тугоплавких металлов. Данный процесс решает эту задачу путем предварительного сплавления тугоплавкого элемента с алюминием, после чего он будет диспергирован в водных растворах щелочей. Обсуждаются особенности микроструктуры, фазового состава порошка полученного химическим диспергированием сплава Al-Zr, а также влияние на эти свойства термообработки при 1250 ºС. Согласно данным РФА и электронной микроскопии, термообработка порошка приводит к значительным фазовым и структурным превращениям порошка. Этот этап подготовки к спеканию является важным для приготовления продукта из порошка.

Ключевые слова: алюминий, оксиды, сплав, цирконий, химическое диспергирование

Введение

Совершенствование характеристик и новых видов керамики невозможно без улучшения качества исходных порошков и целенаправленного изменения их химического состава. При разработке новых технологических решений, правил подбора добавок и методов выбора компонентов можно создать материалы с улучшенными (часто уникальными) физико-техническими характеристиками или рядом специальных свойств.

В этой связи большой интерес представляют порошки, полученные методом химического диспергирования алюминиевых сплавов в растворе едкого натра ранее был разработан Московским государственным индустриальным университетом (сейчас он входит состав Московского политехнического университета) [1]. Способ без значительных затрат позволяет производить исходные материалы с наноразмерными частицами, легированными различными элементами. На данный момент достаточно детально исследованы порошки, которые были получены диспергированием сплавов алюминия с кремнием и магнием, а также структура и свойства керамики, полученные спеканием этих порошков. Каково влияние тугоплавких элементов на структуру и свойства таких порошков и керамик, спеченных из них, до сих пор не изучено.

Описаны результаты исследования микроструктуры и фазового состава порошка, полученного химическим диспергированием в 20% водном растворе NaOH сплава Al-Zr с 10 масс.% тугоплавкого элемента и влияния на него сушки и термообработки.

Порошки гидроксида, полученные химическим диспергированием сплава Al-10вес%Zr.

В основе химического диспергирования сплава Al-Zr лежит следующая реакция:

Al + Zr + NaOH + H₂O → Na[Al(OH)₄] + Al₃Zr + NaZrO₅ + H2↑

Эти продукты: смесь гидроксида алюминия с метасиликатом натрия, выделяющаяся в виде осадка; интерметаллид Al₃Zr, водород и алюминатный раствор, образующийся в результате этой реакции. Состав осадка был установлен методом рентгенофазового анализа (РФА) на приборе D2 PHASER фирмы Bruker, излучение Cu K_α, фильтр – Ni.

В табл. 1 и 2 приведены результаты РФА и размеры ОКР кристалличных фаз. В качестве основных кристаллических фаз до термообработки выступают гиббсит 89% масс. (α - Al₂O₃ · 3 H₂O) и интерметаболит 7% масс. Размер областей когерентного рассеяния (ОКР) для гиббсита составляет 43 нм, а для интерметаллида 68 нм.

(α - Al₂O₃ · 3 H₂O)

Таблица 1.

Результаты РФА порошков Al-10%Zr, масс.

Проба Al-10Zr после термической обработки представляет собой корунд, область когерентного рассеяния (ОКР) составляет 82 нм. При этом в этой порошковой пробе присутствуют два оксида циркония — один из них бадделит (12% масс.), а другой — диоксид циркония с терагонеальной сингонией (3% массы). Наличие метосиликата натрия связывают с плохой отмывкой от NAOH. На основании данных РФА можно сделать вывод, что после химического диспергирование наблюдается 7% масс интерметаллида Al3Zr. Перед обработкой происходит термообработка, а после термообработки появляются оксиды циркония. Их количество в два раза больше, чем было изначального порошка.

Таблица 2.

Размеры ОКР кристаллических фаз порошков Al- Zr

С помощью этой теории можно объяснить то, что при термррбработке в атмосферной печи при 1250С с выдержкой 90 минут происходит сильный рост объема элементарной ячейки метастабильной тетрагональной фазы диоксида циркония. После температуры выше 900°C его скорость резко падает, так как он переходит в равновесную тетрагональную модификацию при охлаждении которая обладает стабильностью до 600°С и спонтанно превращается при более низкой температуре во моноклинный бадделит.

Рисунок 1. Структура порошка Al-Zr после химического диспергирования

Изучая порошок оксида алюминия с цирконием после химического диспергирования алюминий-циркониевого сплавов, можно заметить присутствие твердого раствора Al3Zr (7% массы). (рис. 1.) с выраженной дендритной структурой. Это означает, что данный состав действительно является эвтектическим. По результатам исследования, в системе оксид алюминия - интерметаллид присутствие эвтектики отчетливо видно. Это подтверждается результатами анализа порошков, полученных после термообработки. По данным РФА эвтектика, содержащая оксиды циркония, появляется после термообработки (таблица 1.). После кристаллизации корунда на поверхности образуются капли в виде жидкой фазы.

При помощи снимков, полученных с помощью рентгенографии (рис. 2) порошков алюминия-циркония нельзя однозначно трактовать наличие в порошках рентгеноаморфной фазы вследствие наложения рефлексов друг на друга и можно предположить, что помимо исходных фаз во всех порошках она тоже присутствует. Увеличение пиков корунда и интерметаллида в области больших углов может быть сигналом образования твердых растворов циркония. Таким образом, данную систему нельзя рассматривать как квазибинарную; она представляет собой политермический разрез системы Аl₂O₃ - Al₃Zr - ZrO₂. В данной системе минимальная температура возникновения расплава составляет 1200±15 °С. Данные фазы находятся в твердом состоянии, ниже этой температуры они сосуществуют в жидком.

С помощью этих фотографий микроструктуры можно оценить, как выглядят молекулы в разных состояниях. (рис. 1.). В порошке следует отметить периодичность структур, наличие столбчатых кристаллов в порошке параллельно друг другу. В темных областях между более светлыми кристаллами находится мелкая пористость. Возможно, что до нагрева не происходит разложение интерметаллида алюминия. По крайней мере его поверхность покрыта слоем гидроксид алюминия и препятствует контакту щелочи с ним. Микроструктура порошков после термообработки выявила присутствие эвтектических колоний в составе порошка (рис. 2.) показывает характерные для эвтектики мелкие сферические полости и колонии ровных шестигранников.

Рисунок 2. Структура порошка Al-Zr после термической обработки на 1250ºС

Заключение.

При нагревании порошковая проба Al-Zr меняет свой химический состав: Порошок Al-10Zr, представлен корундом, область когерентного рассеяния (ОКР) составляет 82 нм. Проба с оксидом циркония, в которой присутствуют два бадделита, один из которых имеет наибольшее количество массы 12% и диоксид циркония с терагональной сингонией в объеме 3%. Наличие метосиликата натрия связано с плохой отмывкой от NAOH во время отмывки.

У порошка Al-Zr дендритная структура, а после термообработки структуры кристаллы образуют столбцы. После нагревания порошок имеет столбчатые кристаллы, ориентированные параллельно друг другу.

Список литературы:

1. Иванов Д.А., Омаров А.Ю., Шляпин А.Д. Разработка технологии утилизации продукта отхода рабочего цикла мобильных водородных генераторов // Машиностроение и инженерное образование. 2010. №1. С. 31 - 36
2. Буланов В.Я., Кватер Л.И., Долгаль Т.В. Угольникова Т.А., Акименко В.Б. Диагностика металлических порошков. М.: Наука, 1983, 278 с.
3. Митин Б.С., Трифонова Н.А., Фомина Г.А., Луцкая Е.Э. Методы исследования структуры и свойств порошковых материалов на основе керамики и металлов, учебное пособие МВиССО РСФСР, М.: МАТИ им. К.Э. Циолковского, 1989, 79 с