Badania kompozytu wytworzonego w wyniku reakcji ciekłego Al ze stałym Ti

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Badania kompozytu wytworzonego w wyniku reakcji ciekłego Al ze stałym Ti"

Patryk Stefański
8 lat temu
Przeglądów:

1 AMME th Badania kompozytu wytworzonego w wyniku reakcji ciekłego Al ze stałym Ti P. Zagierski University of Oslo, Centre for Materials Science Gaustadalleen 21, 0349 Oslo, Norwegia Dla potrzeb norweskiego przemysłu aluminiowego, w Centrum Bada Materiałowych przy Uniwersytecie w Oslo, przeprowadzono wiele eksperymentów otrzymywania kompozytów o osnowie metalowej, m.in. w wyniku reakcji jakie zachodz midzy tytanem a aluminium. W artykule opisano sposoby otrzymania kompozytu Al-Al 3 Ti i wpływ trzeciego pierwiastka na własnoci kompozytu. 1. WSTP Due zapotrzebowanie na kompozyty inspiruje do nowych poszukiwa. Wiele nowych konstrukcji bazuje na materiałach kompozytowych. Wikszo z nich uywana jest do budowy pojazdów latajcych, wic ich osnow s metale lekkie wzmacniane tlenkiem aluminium, grafitem, borem lub wglikiem krzemu. Z duym zainteresowaniem spotkały si wytwarzane w Centrum Bada Materiałowych przy Uniwersytecie w Oslo kompozyty wzmacniane fazami midzymetalicznymi, osigajce własnoci mechaniczne zblione do własnoci kompozytów aluminium-ceramika. 2. KOMPOZYT Al-Al 3 Ti Aluminium i tytan mog tworzy trzy rodzaje faz midzymetalicznych: AlTi 3, AlTi, Al 3 Ti (rys. 1). Niniejsze badania skoncentrowano na fazie Al 3 Ti krystalizujcej w układzie tetragonalnym o sieci krystalicznej typu D0 22. Rys. 1. Wykres układu równowagi Ti-Al

Oslo, przeprowadzono wiele eksperymentów otrzymywania kompozytów o osnowie metalowej, m.in. w wyniku reakcji jakie zachodz midzy tytanem a aluminium.

2 626 P. Zagierski W latach Macoviak i Shreir obserwowali reakcje i mechanizm powstawania Al 3 Ti na granicy stałego Ti oraz ciekłego Al i okrelili kierunki przebiegu tej reakcji (rys. 2). Rys. 2. Obszar rozmieszczenia Al 3 Ti na granicy stałego Ti oraz ciekłego Al Do bada uyto czystego aluminium (99%, HV 35) i tytanu w stanie wyarzonym (stopie czystoci 2, HV 150), których struktur przedstawiono na rysunku 3. Próby przeprowadzano w zakresie temperatury o C, w atmosferze argonu. Rys. 3. Struktura czystego aluminium i tytanu w stanie wyarzonym Z obserwacji reakcji na powierzchni granicznej midzy stałym Ti i płynnym Al wynika, e tytan najszybciej reaguje z aluminium w temperaturze 800ºC. Szybko tej reakcji wynosi ok. 1 mm/godzin. Produktem reakcji s czsteczki Al 3 Ti o wielkoci ok. 10 m, o twardoci HV, równomiernie rozmieszczone w mikkiej (35 HV) osnowie aluminium (rys. 4). Rys. 4. Rozmieszczenie czsteczek Al 3 Ti w osnowie aluminium

3 Badania kompozytu wytworzonego w wyniku reakcji ciekłego Al ze stałym Ti 627 Pocztkowo wystpowały problemy z powstawaniem por w procesie otrzymywania kompozytu. W materiale powstawały pory (rys. 5), m.in. z powodu zmniejszania si objtoci, o 7%, jak to wynika z oblicze według wzorów Kirkedalla, dotyczcych dyfuzji. Rys. 5. Pory powstałe w procesie wytwarzania kompozytu Poza tym tworzyła si warstwa tlenków Al (rys. 6), które stanowi barier dla swobodnego przemieszczania si powstajcych czsteczek Al 3 Ti. Rys. 6. Warstwa tlenków Al powstała w strukturze kompozytu Zadowalajce wyniki uzyskano wytwarzajc kompozyt z folii tytanowej zwinitej w formie spirali (rys. 7) lub z proszku tytanu. Rys. 7. Kompozyt z folii tytanowej zwinitej w formir spirali W optymalnej temperaturze (800ºC) dobrano tak czas, aby tytanowa folia całkowicie przeszła w faz midzymetaliczn Al 3 Ti. W wyniku takiego zabiegu uzyskano kompozyt z równomiernie rozmieszczonymi czsteczkami Al 3 Ti w osnowie aluminium (rys. 8). Rys. 8. Struktura komnpozytu z równomiernie rozmieszczonymi czsteczkami Al 3 Ti w osnowie aluminium

Pory powstałe w procesie wytwarzania kompozytu Poza tym tworzyła si warstwa tlenków Al (rys. 6)

4 628 P. Zagierski 3. INNE EKSPERYMENTY W aluminium z dodatkami (Fe, Si, Mg, Mn) stwierdzono, e tworzce si czsteczki Al 3 Ti przemieszczaj i zagszczaj wydzielenia faz Mg 2 Si lub AlSiFeMn, tworzc w strukturze obszary tych faz bez czsteczek Al 3 Ti (rys. 9). Rys. 9. Wpływ czsteczek Al 3 Ti na wydzielenia faz Mg 2 Si lub AlSiFeMn Na obecnym etapie bada nie mona regulowa wielkoci wydzielonych czsteczek. Udało si natomiast regulowa szybko i ilo powstajcych czsteczek w jednostce osnowy. Niewielka zawarto cynku w stopie, znacznie przyspiesza proces tworzenia si fazy Al 3 Ti. Kompozyt z czystego aluminium i czystego tytanu ma czsteczki Al 3 Ti w osnowie aluminium o wielkoci ok. 10 m, odlegle od siebie m. Zwikszajc procentowy udział cynku w stopie mona otrzyma wydzielenia Al 3 Ti w objtoci niemal 80 % kompozytu, w bardzo krótkim czasie. Niewielki udział miedzi w stopie Al zmienia kształt czsteczek Al 3 Ti z prawie sferoidalnego na płytkowy (rys. 10). Rys. 10. Wpływ dodatku miedzi w stopie Al na kształt czsteczek Al 3 Ti Przy kilkunastu procentach miedzi i reakcji w temperaturze 900ºC wydzielenia fazy Al 3 Ti s tylko w kształcie duych płytek w osnowie aluminium i eutektyki z Al 2 Cu (rys. 11). Proszek Al 3 Ti jest twardy, o sieci tetragonalnej, topi si w temperaturze 1340ºC i ma du odporno na korozj. Jest wic due zainteresowanie przemysłu, aeby pokrywa nim powierzchnie wyrobów aluminiowych.

faz bez czsteczek Al 3 Ti (rys. 9). Rys. 9. Wpływ czsteczek Al 3 Ti na wydzielenia faz Mg 2 Si lub AlSiFeMn Na obecnym etapie bada nie mona regulowa wielkoci wydzielonych czsteczek.

5 Badania kompozytu wytworzonego w wyniku reakcji ciekłego Al ze stałym Ti 629 Rys. 11. Płytkowe wydzielenia faz Al 3 Ti w osnowie aluminium i eutektyki z Al 2 Cu Dalsze badania polegały na dodaniu małej iloci trzeciego pierwiastka: Zn, Fe, Cu albo Ni, aby otrzyma sie regularn czsteczek Al 3 Ti (rys. 12), tak jak krystalizuje np. Al 3 Ni. W wykonanych eksperymentach jako trzeciego pierwiastka uyto niklu i uzyskano czsteczki Al 2 NiTi i Al 3 NiTi 2 (rys. 13) o sieciach regularnej i heksagonalnej. Rys. 12. Sieci regularne czsteczek Al 3 Ti Rys. 13. Wydzielenia Al 2 NiTi i Al 3 NiTi 2 powstałe w wyniku doatku niklu do kompozytu

albo Ni, aby otrzyma sie regularn czsteczek Al 3 Ti (rys. 12), tak jak krystalizuje np. Al 3 Ni.

6 630 P. Zagierski 4. WNIOSKI Z bada reakcji midzy płynnym aluminium a stałym tytanem wynika, e tytan najszybciej reaguje z aluminium w temperaturze 800ºC. Produktem reakcji s czsteczki Al 3 Ti o wielkoci ok.10 m równomiernie rozmieszczone w osnowie Al. Kilkuprocentowa zawarto Zn znacznie przyspiesza reakcje i zwiksza ilo wydziele. Niewielki dodatek Cu zmienia kształt czsteczek Al 3 Ti z prawie sferoidalnego na płytkowy. Dodanie trzeciego pierwiastka, takiego jak Zn, Fe, Cu, lub Ni, moe zmieni sie krystaliczn czsteczek z tetragonalnej na regularn. LITERATURA 1. M. Yamaguchi, Y. Umakoshi and Yamane, Mat. Res. Soc. 81 (1987) M. Yamaguchi, Y. Umakoshi and Yamane, Phil. Mag. A. 55 (1987) Taftø J., J. Appl. Cryst. 15 (1982) Ya.E. Geguzin, L.N. Ref. no.76893, 1975, Partiskaga Physics Abstracts. 5. E.A. Feest and J.H. Tweed, In High Temperature Intermetallics, Royal Society, London, (1990) C.D. Turner, W.O. Powers and J.A. Wert, Acta Metall. 37 (1989) K. Shubert, H.G. Meissner, A. Raman and W. Rossteutscher, Naturwisserschaften 51 (1964) A.J. Bradley and A. Taylor, Phil. Mag. 23 (1937) V.Y. Markiv, V.V. Durnashova and V.R. Ryabov, Metallofizika 46 (1973) A.E. Gunnaes, A. Olsen and J. Taftø, Journal of Materials Science 33 (1998)

Niewielki dodatek Cu zmienia kształt czsteczek Al 3 Ti z prawie sferoidalnego na płytkowy.

Podobne dokumenty

ODPORNO NA KOROZJ WIELOSKŁADNIKOWYCH STOPÓW NA OSNOWIE Al-Mg

9/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ODPORNO NA KOROZJ WIELOSKŁADNIKOWYCH STOPÓW NA OSNOWIE Al-Mg