Анализ термической устойчивости аморфных фаз в металлических сплавах Al87Ni8Gd5 и Al87Ni8Y5

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами дифференциальной сканирующей калориметрии и рентгенографического анализа изучена кинетика формирования нанофазных композитов и эволюция их структурных параметров в металлических стеклах Al87Ni8Gd5 и Al87Ni8Y5 с различной термической устойчивостью в условиях нагрева со скоростью 0.083 K/c. С использованием оригинальной и ряда известных моделей определены количественные изменения скоростей зарождения и роста нанокристаллов Al, а также значения кинетических (коэффициенты диффузии) и термодинамических (работа образования зародышей критического размера, разность термодинамических потенциалов аморфной и кристаллической фаз и удельная свободная энергия границы раздела зародыш/материнская фаза) параметров. По результатам сравнительного анализа установлено, что основной причиной повышенной термической устойчивости стекла Al87Ni8Y5 по сравнению со стеклом Al87Ni8Gd5 является более низкая диффузионная подвижность атомов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. А. Свиридова

ФГБНУ “Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина”; ФГБОУ ВО “Донбасская национальная академия строительства и архитектуры”

Автор, ответственный за переписку.
Email: ksvir@list.ru
Россия, ул. Р. Люксембург, 72, Донецк, 283048; ул. Державина, 2, Макеевка, 286123

С. В. Васильев

ФГБНУ “Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина”; ФГБОУ ВО “Донбасская национальная академия строительства и архитектуры”

Email: ksvir@list.ru
Россия, ул. Р. Люксембург, 72, Донецк, 283048; ул. Державина, 2, Макеевка, 286123

В. И. Ткач

ФГБНУ “Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина”

Email: ksvir@list.ru
Россия, ул. Р. Люксембург, 72, Донецк, 283048

Список литературы

  1. Klement W., Willens R.H., Duwez P. Non-crystalline structure in solidified gold-silicon alloys // Nature. 1960. V. 187. P. 869–870.
  2. Warlimont H. Amorphous metals driving materials and process innovations // Mater. Sci. Eng. 2001. V. A304–306. P. 61–67.
  3. McHenry M.E., Willard M.A., Laughlin D.E. Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnets // Progr. Mater. Sci. 1999. V. 44. P. 291–433.
  4. Inoue A. Amorphous, nanoquasicrystalline and nanocrystalline alloys in Al-based systems // Progr. Mater. Sci. 1998. V. 43. P. 365–520.
  5. Дональд И.В., Дэвис Х.А. Образование и стабильность некоторых аморфных сплавов на основе железа и никеля / В кн. Быстрозакаленные металлы. М.: Металлургия, 1983. С. 139–147.
  6. Абросимова Г.Е., Аронин А.С. Влияние концентрации редкоземельного элемента на параметры наноструктуры в сплавах на основе алюминия // ФТТ. 2009. Т. 51. № 9. С. 1665–1671.
  7. Popov V.V., Tkatch V.I., Rassolov S.G., Aronin A.S. Effect of replacement of Ni by Co on thermal stability of Fe40Co40P14B6 metallic glass // J. Non-Cryst. Sol. 2010. V. 356. P. 1344–1348.
  8. Vasiliev S.V., Svyrydova K.A., Vasylyeva N.V., Tkatch V.I. Description of non-isothermal crystallization kinetics of Fe48Co32P14B6 metallic glass using the isothermal analysis data // Acta Mater. 2023. V. 244. art. 118558.
  9. Hono K., Zhang Y., Tsai A.P., Inoue A., Sakurai T. Solute partitioning in partially crystallized Al-Ni-Ce(–Cu) metallic glasses // Scr. Metall. Mater. 1995. V. 32. № 2. Р. 191–196.
  10. Allen D.R., Foley J.C., Perepezko J.H. Nanocrystal development during primary crystallization of amorphous alloys // Acta Mater. 1998. V. 46. № 2. Р. 431–440.
  11. Ham F.S. Theory of diffusion-limited precipitation // J. Phys. Chem. Sol. 1958. V. 6. P. 335–351.
  12. Yi J.J., Kong L.T., Ferry M., Tang C.G., Sha G., Li J.F. Origin of the separated α-Al nanocrystallization with Si added to Al86Ni9La5 amorphous alloy // Mater. Characteriz. 2021. V. 178. art. 111199.
  13. Tkatch V.I., Rassolov S.G., Moiseeva T.N., Popov V.V. Analytical description of isothermal primary crystallization of glasses: Fe85B15 // J. Non-Cryst. Sol. 2005. V. 351. P. 1658–1664.
  14. Rassolov S.G., Tkatch V.I., Maslov V.V., Maksimov V.V., Svyrydova K.A., Zhikharev I.V. Nanocrystallization of Al-based glasses via nucleation and growth under "soft impingement" conditions // Phys. Stat. Sol. C. 2010. V. 7. № 5. P. 1340–1343.
  15. Antonowicz J. Time-resolved X-ray diffraction study of nanocrystallization in Al-based metallic glasses // J. Non-Cryst. Sol. 2005. V. 351. P. 2383–2387.
  16. Blazquez J.S., Millan M., Conde C.F., Conde A. Nucleation rate and nanocrystallization of Co60-(Fe, Mn)18-Nb6-B16 amorphous alloys in the frame of instantaneous growth approximation // J. Alloys Comp. 2010. V. 505. P. 91–95.
  17. Рассолов С.Г., Ткач В.И., Максимов В.В., Коваленко О.В., Моисеева Т.Н., Попов В.В. Зарождение нанокристаллов Al в аморфном сплаве Al87Ni8Y5 при нагреве с постоянной скоростью // Физика и техника высоких давлений. 2013. Т. 23. № 1. С. 18–29.
  18. Tkatch V.I., Rassolov S.G., Nosenko V.K., Maksimov V.V., Moiseeva T.N., Svyrydova K.A. Estimation of diffusivity governing primary nanocrystallization and its relation to thermal stability of amorphous phases // J. Non-Cryst. Sol. 2012. V. 358. Р. 2727–2733.
  19. Маслов В.В., Ткач В.И., Носенко В.К., Рассолов С.Г., Попов В.В., Максимов В.В., Сегида Е.С. Микротвердость и структура нанофазных композитов, формирующихся при нагреве аморфных сплавов Al87Ni8RE (RE = Y, Gd) и Al86Ni8–xCoxGd6 (x = 2, 6) // Металлофиз. новейшие технол. 2011. Т. 33. № 5. С. 661–672.
  20. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСИС, 2002. 360 с.
  21. Wesseling P., Ko B.C., Lewandowski J.J. Quantitative evaluation of α-Al nano-particles in amorphous Al87Ni7Gd6 – comparison of XRD, DSC, and TEM // Scripta Mater. 2003. V. 48. Р. 1537–1541.
  22. Yang H.W., Wen J., Quan M.X., Wang J.Q. Evaluation of the volume fraction of nanocrystals devitrified in Al-based amorphous alloys // J. Non-Cryst. Sol. 2009. V. 355. P. 235–238.
  23. Duan T., Shen Y., Imhoff S.D., Yi F., Voyles P.M., Perepezko J.H. Nucleation kinetics model for primary crystallization in Al–Y–Fe metallic glass // J. Chem. Phys. 2023. V. 158. art. 064504.
  24. Kelton K.F. Crystal nucleation in liquids and glasses / Solid State Phys. – Advances in Research and Application. Acad. Press. New York. 1991. V. 45. P. 75–177.
  25. Turnbull D., Fisher J.C. Rate of nucleation in condensed systems // J. Chem. Phys. 1949. V. 17. № 1. P. 71–73.
  26. Castellero A., Battezzati L. Thermophysical parameters governing the glass formation and crystallization of CuZr // J. Non-Cryst. Sol. 2023. V. 610. art. 122311.
  27. Thompson C.V., Spaepen F. On the approximation of the free energy change on crystallization // Acta Metal. 1979. V. 22. № 12. Р. 1855–1859.
  28. Ji X., Pan Y. Gibbs free energy difference in metallic glass forming liquids // J. Non-Cryst. Sol. 2007. V. 353. Р. 2443–2446.
  29. Thompson C.V., Spaepen F. Homogeneous crystal nucleation in binary metallic melts // Acta Metall. 1983. V. 31. № 12. P. 2021–2027.
  30. Свойства элементов / Справочник. Под ред. Г.В. Самсонова. ч. 1. М.: Металлургия, 1976. 600 с.
  31. Spaepen F. Homogeneous nucleation and the temperature dependence of the crystal-melt interfacial tension // Solid State Phys. – Advances in Research and Application. Acad. Press. New York. 1994. V. 47. P. 1–32.
  32. Battezzati L. Thermodynamic quantities in nucleation // Mater. Sci. Eng. A. 2001. V. 304–306. P. 103–107.
  33. Jian Z., Li N., Zhu M., Chen J., Chang F., Jie W. Temperature dependence of the crystal-melt interfacial energy of metals // Acta Mater. 2012. V. 60. P. 3590–3603.
  34. Greer A.L. Crystallization of metallic glasses // Mater. Sci. Eng. A. 1994. V. 179/180. P. 41–45.
  35. Jiang X.Y., Zhong Z.C., Greer A.L. Particle-size effects in primary crystallization of amorphous Al–Ni–Y alloys // Mater. Sci. Eng. A. 1997. V. 226–228. P. 789–793.
  36. Kelton K.F., Croat T.K., Gangopadhyay A.K., Xing L.-Q., Greer A.L., Weyland M., Li X., Rajan K. Mechanisms for nanocrystals formation in metallic alloys // J. Non-Cryst. Sol. 2003. V. 317. P. 71–77.
  37. Schmelzer J.W.P., Tropin T.V., Fokin V.M., Abyzov A.S., Zanotto E.D. Effects of glass transition and structural relaxation on crystal nucleation: Theoretical description and model analysis // Entropy. 2020. V. 22. art. 1098.
  38. Свиридова Е.А., Васильев С.В., Абросимова Г.Е., Ткач В.И. Анализ процесса зарождения нанокристаллов Al в металлическом стекле AlNiGd в процессе отжига и интенсивной пластической деформации // ЖТФ. 2024. Т. 94. № 2. С. 216–222.
  39. Henits P., Revesz A., Varga L.K., Kovacz Zs. The evolution of the microstructure in amorphous Al85Ce8Ni5Co2 alloy during heat treatment and severe plastic deformation: A comparative study // Intermetallics. 2011. V. 19. Р. 267–275.
  40. Gunduz M., Hunt J.D. The measurement of solid-liquid surface energies in the Al-Cu, Al-Si and Pb-Sn systems // Acta Metall. 1985. V. 33. № 9. P. 1651–1672.
  41. Volin T.E., Baluffi R.W. Annealing kinetics and the self-diffusion coefficient in aluminum // Phys. Stat. Sol. 1968. V. 25. P. 163–173.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фрагменты термограмм ДСК в температурных диапазонах первой стадии кристаллизации металлических стекол Al87Ni8Gd5 (сплошная линия) и Al87Ni8Y5 (штриховая линия) при нагреве со скоростью 0.083 K/с.

Скачать (17KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы быстроохлажденных лент сплавов Al87Ni8Gd5 и Al87Ni8Y5, подвергнутых нагревам до температур завершения нанокристаллизации (527 и 536 K соответственно). Штриховыми линиями показана схема разложения профиля на аморфную и кристаллическую составляющие.

Скачать (18KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменения средних размеров нанокристаллов Al в стеклах Al87Ni8Gd5 (●) и Al87Ni8Y5 (■) в процессе нагрева со скоростью 0.083 K/с. Точки – эксперимент, линии расчет по уравнению (6).

Скачать (15KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменения доли нанокристаллической фазы в стеклах Al87Ni8Gd5 (●) и Al87Ni8Y5 (■) в процессе нагрева со скоростью 0.083 K/с. Сплошные символы – рентгенографические оценки, полые – нормированные данные ДСК.

Скачать (16KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Температурные зависимости эффективных коэффициентов диффузии, контролирующих рост нанокристаллов в стеклах Al87Ni8Gd5 (сплошная кривая) и Al87Ni8Y5 (штриховая кривая). Вертикальными отрезками показаны температуры начала нанокристаллизации.

Скачать (15KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Определенные по экспериментальным данным Jexp(T) (точки) и рассчитанные изменения скорости зарождения Jst нанокристаллов Al в стеклах Al87Ni8Gd5 (○ и сплошная линия) и Al87Ni8Y5 (□ и штриховая линия) при нагреве со скоростью 5 K/мин.

Скачать (19KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменения термодинамической движущей силы формирования зародышей Al в аморфных сплавах Al87Ni8Gd5 (сплошные линии) и Al87Ni8Y5 (штриховые линии). Вертикальными соответствующими линиями показаны температуры Tons и Tend при скорости нагрева 0.083 K/с.

Скачать (18KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изменения работы образования критических зародышей, оцененные по соотношению (11) (символы) и рассчитанные по уравнению (7), в стеклах Al87Ni8Gd5 (○ и сплошные линии) и Al87Ni8Y5 (□ и штриховые линии) при нагреве со скоростью 0.083 K/с. Вертикальными линиями показаны температуры основных максимумов Jexp (рис. 6).

Скачать (17KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Температурные зависимости удельной свободной энергии границы раздела кристаллической и аморфной (жидкой) фаз в сплавах на основе Al: 1 и 2 – Al87Ni8Gd5 и Al87Ni8Y5 соответственно, результаты настоящей работы, 3 – Al87Ni8Gd5, деформационно-индуцированная кристаллизация [38] с учетом давления, 4 – Al85Ce8Ni5Co2 [39], расчет по приближенной модели [32]. Звездочкой показано оцененное экспериментально значение для чистого Al [24].

Скачать (18KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Изменения скорости роста нанокристаллов Al в стеклах Al87Ni8Gd5 (сплошная линия) и Al87Ni8Y5 (штриховая линия) при нагреве со скоростью 0.083 K/с. Вертикальными линиями 1 и 2 обозначены температуры начала кристаллизации.

Скачать (16KB)
Метаданные