Донбаська державна
машинобудівна академія

Исследование и моделирование термодинамических свойств расплавов аморфообразующих систем и прогнозирование концентрационных областей аморфизации.

Повышенный интерес к металлическим системам, которые в условиях неравновесного синтеза склонны образовывать аморфные сплавы, связан с рядом уникальных механических (твердость, прочность, пластичность), химических (коррозионная стойкость, способность поглощать газы), магнитных и электрических свойств этих материалов. Преобладающее большинство аморфных сплавов было получено закалкой расплавов при скоростях охлаждения 10⁵ – 10⁶ K/с. Новое семейство аморфных сплавов на базе многокомпонентных систем демонстрирует экстраординарную склонность к аморфизации, что позволяет получать из них аморфные композиции при низких скоростях охлаждения 1 – 10 ² K/с, близких к технологическим условиям традиционной литейной технологии. Сплавы этого семейства получили название объемные аморфные сплавы.

Для расширения круга систем, на основании которых могут быть получены аморфные сплавы, и оптимизации их составов, необходимо систематическое теоретическое исследование явления аморфизации. Как правило, для точного количественное описания феномена и определения влияющих на него факторов ощущается явная нехватка информации о температурно-концентрационной зависимости термодинамических функций смешения расплавов и термодинамических свойствах фаз, которые конкурируют в ходе процесса аморфизации.

В рамках этого направления исследований были изучены термодинамические свойства расплавов двух-, трех- и многокомпонентных систем, которые демонстрируют высокую склонность к стеклообразованию в результате закалки из жидкого состояния:

• экспериментально определены парциальные и интегральные энтальпии смешения расплавов
  двухкомпонентные системы – Fe–Ti, Fe–Zr, Fe–Hf, Co–Ti, Co–Zr, Co–Hf, Ni–Ti, Ni–Zr, Ni–Hf, Cu–Sc, Cu–Ti, Cu–Y, Cu–Zr, Cu–La, Cu–Hf;
  трехкомпонентные системы – Cu–Ti–Zr, Cu–Ni–Ti, Cu–Fe–Ti, Co–Ni–Zr, Ni–Ti–Zr, Co–Cu–Zr, Co–Ni–Zr, Cu–Ni–Hf;
• экспериментально определены энтальпии смешения металлов-добавок Al, Si, Sn, Y, Ni, Zr, Hf, Fe, облегчающих процесс аморфизации, с расплавами Cu–Ti–Zr, Cu–Ni–Ti, Cu–Fe–Ti;
• в рамках модели ассоциированного раствора выполнено моделирование температурно-концентрационной зависимости термодинамических свойств расплавов, включая область переохлаждения вплоть до температуры стеклования
• двухкомпонентные системы – Fe–Ti, Fe–Zr, Fe–Hf, Co–Ti, Co–Zr, Co–Hf, Ni–Ti, Ni–Zr, Ni–Hf, Cu–Sc, Cu–Ti, Cu–Y, Cu–Zr, Cu–La, Cu–Hf;
  трехкомпонентные системы – Cu–Ti–Zr, Cu–Ni–Ti, Cu–Fe–Ti, Co–Ni–Zr, Cu–Ni–Zr, Ni–Ti–Zr, Co–Cu–Zr, Cu–Ni–Hf;

Проведенные расчеты позволили предложить эмпирический критерий для прогнозирования концентрационных интервалов аморфизации металлических расплавов закалкой из жидкости. Согласно данному критерию границы концентрационных областей аморфизации могут быть спрогнозированы по относительному положению изотерм суммарного содержания ассоциатов 0,3 и 0,5, рассчитанных при температуре стеклования. Этот критерий был с успехом использован для интерпретации интервалов аморфизации вышеперечисленных двухкомпонентных и трехкомпонентных систем.

Модели термодинамических фаз систем, полученные в ходе их термодинамического описания, были использованы для оценки концентрационных интервалов образования быстрозакаленных и объемных аморфных сплавов. Расчет был основан на сопоставлении относительной термодинамической стабильности переохлажденных расплавов и твердых растворов на основе чистых компонентов. Было показано, что границы концентрационных областей получения быстрозакаленных аморфных сплавов могут быть корректно спрогнозированы по относительному положению метастабильной линии ликвидуса и линии , а объемных аморфных сплавов – по положению метастабильной линии ликвидуса при температуре стеклования. Расчеты были выполнены для систем Cu–Sc, Cu–Ti, Cu–Zr, Cu–Hf, Ni–Ti, Ni–Zr, Ni–Hf, Co–Ti, Co–Zr, Co–Hf, Fe–Ti, Fe–Zr, Fe–Hf, Co–Cu–Zr, Cu–Fe–Ti, Cu–Ni–Hf, Cu–Ni–Ti, Cu–Ni–Zr, Cu–Ti–Zr, Ni–Ti–Zr.