Физико-химические основы взаимодействия бериллияи редкоземельных металлов с алюминием и разработка сплавов на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, доктор технических наук Сафаров, Ахрор Мирзоевич

• Сафаров, Ахрор Мирзоевич
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Сафаров, Ахрор Мирзоевич

Введение

Общая характеристика работы

Глава 1. Особенности взаимодействия алюминия с бериллием и редкоземельными металлами (Обзор литературы)

1.1. Структура и свойства сплавов систем алюминий-редкоземельные металлы

1.2. Структура и свойства сплавов системы алюминий-бериллий

1.3. Структура и свойства сплавов систем бериллий-редкоземельные металлы

Глава 2. Систематизация и оценка видов взаимодействия в двойных системах на основе бериллия

2.1. Систематизация видов взаимодействия в двойных системах на основе бериллия

2.2. Прогноз взаимной растворимости бериллия с элементами Периодической таблицы в жидком и твёрдом состояниях

2.3. Образование металлических соединений и нонвариантных превращений в системах бериллия с элементами Периодической таблицы

2.4. Параметры взаимодействия и прогноз разновидности расслаивающихся систем бериллия с элементами Периодической таблицы

2.5. Расчёт взаимной растворимости компонентов в жидком и твёрдом состояниях в системах бериллия с РЗМ и построение их диаграмм состояния

2.6. Полуэмпирический метод расчета термических свойств интерметаллидов систем А1 - Се и А1 - Рг

Глава 3. Исследование и построение диаграмм состояния систем алюминий-бериллий-редкоземельный металл

3.1. Исходные материалы и методы исследования сплавов

3.2. Диаграмма состояния системы Al-Be-Y

3.3. Диаграмма состояния системы Al-Be-La

3.4. Диаграмма состояния системы Al - В'е - Се

3.5. Диаграмма состояния системы А1-Ве-Рг

3.6. Диаграмма состояния системы Al - Ве - Nd

3.7. Диаграмма состояния системы Д1 - Ве - Sm

3.8. Закономерности сплавообразования в системах алюминий-бериллий-РЗМ

Глава 4. Исследование кинетики высокотемпературного окисления алюминиево-бериллиевых сплавов, легированных редкоземельными металлами

4.1. Методика исследования кинетики окисления сплавов

4.2. Влияние иттрия на кинетику окисления сплава Al+1 %Ве

4.3. Влияние лантана на кинетику окисления сплава А1+1%Ве

4.4. Влияние церия на кинетику окисления сплава А1+1%Ве

4.5. Влияние празеодима на кинетику окисления сплава А1+1 %Ве

4.6. Влияние неодима на кинетику окисления сплава А1+1 %Ве

4.7. Исследование коррозионно-электрохимического поведения сплава А1+1%Ве, легированного редкоземельными металлами при скоростях развертки 2мВ/с и ЮмВ/с в нейтральных средах

4.8. Обсуждение результатов '

Глава 5. Теплофизические и механические свойства алюминиево-бериллиевых сплавов, легированных редкоземельными металлами

5.1. Экспериментальные установки, методики измерения теплофизических (теплопроводность, удельная теплоемкость) свойств и линейного расширения твердых тел

5.2. Расчетные формулы для вычисления теплопроводности, удельной теплоемкости и определения погрешности измерения теплофизических свойств твердых тел

5.3. Исследование влияния редкоземельных металлов на теплофизи-ческие свойства алюминиево-бериллиевого сплава А1+1%Ве

5.4. Расчет теплоемкости, теплопроводности, коэффициента теплоустойчивости и анализ экспериментальных данных по теплофизическим свойствам сплава А1+1%Ве, легированного РЗМ

5.5. Обобщение экспериментальных данных по теплофизическим свойствам алюминиево-бериллиевых: сплавов с РЗМ

5.6. Механические свойства сплава А1+1%Ве легированного редкоземельными металлами 247 Заключение 250 Выводы 258 Литература 260 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-химические основы взаимодействия бериллияи редкоземельных металлов с алюминием и разработка сплавов на их основе»

Технический прогресс в ряде важных отраслей промышленности определяется качеством легких сплавов на основе алюминия. Среди них наибольшее применение находят алюминиево-бериллиевые сплавы, благодаря малому удельному весу, высокой удельной прочности, способности выдерживать большие температуры, высокой коррозионной стойкости, теплопроводности и теплоемкости [1]. В качестве конструкционных материалов они широко применяются в авиации, атомной, ракетной и космической технике, а также в электронике и электротехнике.

Основой разработки новых алюминиевых сплавов, совершенствования технологии производства и улучшения их свойств является развитие фундаментальных научных металловедческих исследований наряду с решением технологических задач. Это привело в теоретическом плане к построению двойных диаграмм состояния алюминия почти со всеми элементами периодической системы, выяснению характера физико-химического взаимодействия во многих тройных и более сложных системах, установлению закономерностей строения и свойств сплавов. В практическом отношении были созданы конструкционные алюминиевые сплавы с особыми свойствами, в том числе сверхлегкие сплавы с удельным весом 1.30-1.45 г/см3, то есть приближающиеся к удельному весу легких пластмасс [2].

Применение алюминиево-бериллиевых сплавов в космических аппаратах в качестве конструкционного материала может дать значительную экономию в весе по сравнению с алюминиево-магниевыми сплавами и чистым бериллием. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, технологичностью, свариваемостью, значительно меньшей чувствительностью к поверхностным дефектам. Стоимость их заметно ниже, чем стоимость чистого бериллия.

В условиях радиационного облучения сплавы с бериллием сохраняют конструктивные характеристики, а" величина возникающей в них наведенной радиации не представляет опасности для человека [3].

В последнее время в качестве легирующих-, добавок широко стали применять редкоземельные металлы (РЗМ). Редкоземельные металлы представляют собой практически неиссякаемый источник материалов с уникальными свойствами. Изучение структуры и свойств отдельных редкоземельных металлов позволило открыть у них особые свойства, необходимые для работы новейших физических приборов. Учитывая всестороннее преимущество этих уникальных металлов, в представленной работе в качестве легирующих добавок к алюминиево-бериллиевым сплавам использованы такие редкоземельные металлы, как иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим и самарий.

Однако до настоящего времени характер физико-химического взаимодействия в тройных системах изучена частично и недостаточно полно в связи с трудностями получения сплавов с* участием бериллия. Из вышеизложенного видно, что исследование характера физико-химического взаимодействия алюминия с бериллием и РЗМ, установление закономерностей строения и свойств соединений, твердых растворов создания на этой основе новых легких сплавов является актуальной задачей.

Иссдедования проводились в период 1-993-2011гг. в лаборатории «Кор-розионностойкие материалы» Института химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан, на кафедре «Материаловедение, металлургические машины и оборудования» Таджикского технического университета им. М.С. Осими.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Цель работы заключается в: Разработке новых коррозионностойких алюминиево-бериллиевых композиций, легированных редкоземельными металлами (РЗМ). Для чего изучена природа физико-химического взаимодействия бериллия с элементами Периодической таблицы (ПТ), а также алюминия и бериллия с РЗМ (где РЗМ - Y, La, Се, Pr, Nd, Sm), установлены особенности сплавообразования с их участием. Исследованы кинетика высокотемпературного окисления, коррозионно-электрохимическое поведение, теплофизические, термодинамические и механические свойства алюминиево-берил-лиевых сплавов, легированных РЗМ.

Научная новизна работы. На основании расчётов впервые построены диаграммы состояния сплавов бериллия с редкоземельными металлами, которые представляют собой системы монотектического типа с наличием областей гомогенности (кроме систем с Ей и Yb, характеризующихся полным отсутствием взаимодействия компонентов). Экспериментально изучены и построены диаграммы состояния систем Al-Be-Y(La, Ce, Pr, Nd, Sm). В системах выявлено существование тройных соединений (Д,) переменного и постоянного состава, определены их температуры плавления, построены квазибинарные разрезы А1-РЗМВе13, P3MBei3-P3MAl2, и РЗМА12- Д,.

Произведена сингулярная триангуляция вышеупомянутых систем. Построены проекции поверхностей ликвидуса сплавов систем Al-Be-Y (La, Ce, Pr, Nd, Sm) в области 0-33.3 ат.% РЗМ. Исследованием кинетики окисления установлено, что процесс окисления протекает по параболическому закону. Определены закономерность и механизм влияния редкоземельных металлов на кинетику окисления алюминиево-бериллиевого сплава, содержащего 1мас.% бериллия в атмосфере воздуха. Малые добавки редкоземельных металлов (до 0.1мас.%) значительно уменьшают окисляемость сплава А1+1%Ве. Установлены электрохимические характеристики процессов коррозии сплавов А1+1%Ве, содержащих РЗМ, выявлены механизмы действия РЗМ как эффективной добавки, улучшающей коррозионную стойкость сплавов алюминия с бериллием в среде электролита NaCl. Впервые получены экспериментальные данные по теплофизическим свойствам сплавов систем (А1-1%Ве-х%РЗМ), где: х=0.01- 0.5 в интервале температур 148 до 673К. Установлено, что добавки 1мас.% бериллия и редкоземельного металла в пределах 0.01-0.5мас.% улучшают механические свойства алюминия.

Практическая ценность работы. На основе изученных тройных систем разработаны и защищены малыми патентами Республики Таджикистан

TJ 322 и №TJ323) коррозионностойкие алюминиево-бериллиевые сплавы с редкоземельными металлами. Проведены опытно-промышленные испытания сплавов в Государственном унитарном производственном объединении «Таджиктекстильмаш» и приняты к внедрению. Разработанные сплавы использовались в качестве биметалла для восстановления трущихся деталей текстильного оборудования. Покрытия наносились методами газопламенного и плазменного напыления на поверхности деталей текстильных оборудований работающих в агрессивных средах. Материал покрытия изготовлялся в виде проволоки.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Металлохимические особенности взаимодействия бериллия с элементами ПТ, алюминия и бериллия с редкоземельными металлами.

- Политермические разрезы, проекции поверхностей ликвидуса, схемы сингулярной триангуляции тройных систем Al-Be-Y(La,Ce,Pr,Nd,Sm).

- Особенности кинетики высокотемпературного окисления и коррози-онноэлектрохимического поведения сплавов систем А1-Ве-РЗМ.

- Теплофизические, термодинамические-и механические свойства сплавов систем А1-Ве-РЗМ.

- Результаты опытно-промышленных испытаний разработанных сплавов в условиях Государственного унитарного производственного объединения «Таджиктекстильмаш».

Апробация работы. Основные результаты исследования обсуждались на: Республиканской научной конференции «Теоретические и прикладные проблемы химии» (Душанбе, 1995 г.); Международной научно-практической конференции «Научно-технические нововведения и вопросы охраны окружающей среды» (Душанбе, 1995 г.); XI Российской конференции по тепло-физическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Достижения в области металлургии и машиностроения Республики Таджикистан» (Душанбе, 2004 г.); Международной конференции, посвященной 70-летию члена-корреспондента РАН

И.К. Комилова «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в . конденсированных средах» (Махачкала, 2005 г.); II Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (Душанбе, 2007 г.); Республиканской научно-практической конференции «Прогрессивные методы производства» (Душанбе, 2009 г.); Международной научно- практической конференции « Перспективы развития науки и образования» (Душанбе. 2010 г.);Республиканской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии» (Душанбе. 2011 г.); V Международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовер- ■ шенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ» (Душанбе, 2011 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликованы 3 монографии, 54 научные статьи, в том числе 23 в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК России: «Известия РАН. Металлы», «Журнал прикладной химии», «Известия АН Республики Таджикистан», «Доклады АН Республики Таджикистан», «Вестник Таджикского национального университета», «Вестник Таджикского технического университета».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, • приложений и изложена на 282 страницах компьютерного набора, содержит 70 таблиц, 93 рисунка и 246 библиографических названий.