Formation of non-equilibrium germanium-based solid solutions IN Al-Ge-alloys

УДК 536.7 О. Ю. БЕРЕЗА (ДДАУ, Дніпропетровськ), О. В. БЕРЕЗА (НМетАУ, Дніпропетровськ) УТВОРЕННЯ НЕРІВНОВАЖНИХ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ НА БАЗІ ГЕРМАНІЮ В Al-Ge-СПЛАВАХ У роботі досліджено фазовий склад і мікроструктура швидкоохолоджених заевтектичних алюмінієвогерманієвих сплавів. Встановлено утворення нерівноважних твердих розчинів на базі германію. Показано вплив швидкості охолодження і вмісту германію на фазовий склад сплавів. Ключові слова: твердий розчин, фазовий склад, заевтектичні алюмінієво-германієві сплави, швидкість охолодження На теперішній час відомо, що високі швидкості охолодження значно впливають на фазовий склад і процеси структуроутворення сплавів різних систем. Нерівноважні умови фазових перетворень, значно змінюючи багато-які параметри системи, спричиняють велику кількість специфічних фазових та структурних ефектів, що суттєво розширюють й урізноманітнюють коло сплавів даної системи з різними властивостями [1–3]. Великі перспективи з цього приводу мають системи із фазовими реакціями розпаду і, насамперед, системи з евтектичним перетворенням. Оскільки властивості матеріалів залежать від фазового складу і будови матеріалів, то керування зазначеними параметрами дає можливість значного розширення характеристик сплавів. Метою даної роботи було дослідження фазового складу заевтектичних сплавів системи Al-Ge, тому що у попередніх дослідженнях було доведено на прикладі доевтектичних сплавів, що швидке охолодження алюмінієво-германієвих сплавів може значно змінювати їх фазовий склад і морфологію [1]. Відповідно до [4], рівноважна діаграма стану Al-Ge відбиває утворення твердих розчинів тільки на основі алюмінію та евтектичне перетворення, яке відбувається за наступною фазовою реакцією: Р30,3 → α + Ge. Таким чином, рівноважними фазами сплавів даної системи є алюмінієвий твердий розчин α і германій (рис. 1). Попередні дослідження доевтектичних сплавів даної системи довели, що прискорення охолодження до 102…104 К/с призводить до значних змін не тільки в алюмінієвому твердому розчині α, ступінь пересичення якого на германій зростає більше ніж утричі порівняно з рівноважною розчинністю й становить 12,5 ат. % [5]. За результатами [6] у широкому діапазоні концентрацій має місце метастабільна кристалізація, і виникає метастабільна проміжна фаза AlGe, яка містить значну частку легко- плавкого компонента – алюмінію. Ця фаза разом із пересиченим твердим розчином α' формує метастабільну квазіевтектику α' + AlGe, що було зафіксовано металографічно [6]. У той же час заевтектичним сплавам не було приділено значної уваги. Саме тому в даній роботі й була поставлена задача встановлення особливостей фазового складу швидкоохолоджених заевтектичних сплавів системи Al-Ge. 1213 К Т, К 1000 933 К 800 a n 600 Al 693 К 20 30,3 AlGe b e 32 m 697 К 40 ат. % 60 80 c Ge Рис. 1. Рівноважна [4] і частина метастабільної (пунктирні лінії) [1] діаграми стану Al-Ge Матеріали і методика експерименту В якості вихідних матеріалів використовували елементи високого ступеня чистоти: германій – 99,9999 ат. %, алюміній – 99,999 ат. %. Сплави виплавляли у вакуумній печі опору СВГ-2.3/15ЭМ1 в атмосфері аргону в алундових тиглях. Температура перегріву розплаву вище лінії ліквідус не перевищувала 30…50 К. Для досягнення великих швидкостей охолодження підготовлені сплави переплавляли в сілітовій печі під шаром корнеліту (для попередження окислення), ретельно перемішували (для уникнення ліквації за питомою вагою) та виливали в охолоджену мідну виливницю у вигляді клина. Швидкість охолодження за висотою клиноподібного зразка змінювалась від ~102 К/с у верхній частині до ~104 К/с у лезі клина за товщини 0,5 мм. © О. Ю. Береза, О. В. Береза, 2011 222 Дослідження фазового складу та характеру розподілу елементів між структурними складовими сплавів із використанням електронного зонда проводили за допомогою рентгеноспектральних мікроаналізаторів МС-46 «Cameca» та СХ-42 «Camebax». Аналіз проводили за напруги 20 кВ та струму зонду 40 мА. Якісний аналіз виконували шляхом запису кривих розподілу інтенсивності ліній Кα-випромінювання елементів при пересуванні зонду вздовж вибраного маршруту, а також методом сканування за площиною, величину якої вибирали в залежності від компактності структури. Кількісний аналіз здійснювали на мікрозонді СХ-42. При дослідженні швидкоохолоджених сплавів системи Al-Ge як еталони використовували чистий германій та сполуку FeAl3 . Склад структурно вільних кристалів фаз, евтектик та квазіевтектик досліджували при розфокусованому зонді (діаметр зонду дорівнював ~0,1·10–4 м). Через структурну однорідність аналізованих фаз робили поправку на поглинання, атомний номер та флюоресценцію. Локальність аналізу становила (0,2…0,3)·10–5 м, сумарна похибка не перевищувала 3 % відн. Дослідження мікроструктури зразків проводили на оптичному мікроскопі Neophot-21. Аналіз результатів дослідження фазового складу і структури заевтектичних сплавів також виявив їх залежність як від хімічного складу сплаву, так і швидкості охолодження. Таким чином, аналіз отриманих результатів показує, що не тільки швидкість охолодження, а й вміст германію в сплаві впливає на склад β-твердого розчину. а Результати екперименту та їх аналіз У досліджених сплавах з 50 % ат. Ge та 55 % ат. Ge при швидкості охолодження в діапазоні 102…104 К/с мікроструктура складається з наступних складових (рис. 2). По-перше, як надлишкові були присутні кристали германію (на рис. 2, а вони мають сірий колір). У той же час за результатами кількісного аналізу встановлено наявність достатньо високого ступеня розчинності алюмінію в цих кристалах. У сплаві з 50 % ат. Ge при швидкості охолодження 102 К/с вона досягає 11,1 ат. % Al, а при зростанні швидкості до 104 К/с – 7,1 ат. % Al. Тобто в даному випадку можна стверджувати про утворення твердого розчину на основі германію, розчинність якого залежить від швидкості охолодження. Тому цю фазу пропонується позначати як β-твердий розчин. У сплаві з 55 % ат. Ge при швидкості охолодження 102 К/с кількість алюмінію в кристалах β-фази (рис. 4, б) становить 11,6 ат. % Al, а при зростанні швидкості до 104 К/с – 6,7 ат. % Al. б в Рис. 2. Мікроструктура заевтектичного сплаву з 55 ат. % Ge: а – Vохол = 102 К/с, х 250; б – Vохол = + = 102 К/с, х 400; в – Vохол = 104 К/с, х 400 223 го складу та морфології. На рис. 5 схематично показано, що на діаграмі стану Al-Ge існує область β-твердого розчину алюмінію в германії та гіпотетична область формування метастабільної квазіевтектичної структури в досліджуваних сплавах, яка знаходиться під лінією ab. 80 60 Al 40 Ge 20 100 100 1000 Швидкість охолодження, К/с а Вміст елемента, % ат 100 80 60 Al 40 Ge 80 60 Al 40 Ge 20 0 100 1000 Швидкість охолодження, К/с Швидкість охолодження, К/с 20 а 0 100 1000 Швидкість охолодження, К/с б Рис. 3. Вплив швидкості охолодження на склад твердих розчинів на основі алюмінію (а) та германію (б) у сплаві з 50 % ат. Ge Другою складовою мікроструктури були обідкові кристали α-твердого розчину ( (...truncated)