powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2019-2-33-41powder-444Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)Получение сплава 70%Cu–30%Fe методами СВС-металлургии и электрометаллургии. Сравнительный анализ микроструктурРroduction of 70%Cu–30%Fe alloy by SHS metallurgy and electrometallurgy. Comparative analysis of microstructuresСанинВ. В.SaninV. V.

Инженер научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии»

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

Engineer, Scientific-educational center «Nanomaterials and nanotechnologies»

119049, Moscow, Leninsky pr., 4

sanin@misis.ruФилоновМ. Р.FilonovM. R.

Доктор технических наук, профессор, проректор по науке и инновациям

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Vice-rector of Science and Innovation

119049, Moscow, Leninsky pr., 4

filonov@misis.ruЮхвидВ. И.YukhvidV. I.

Доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией жидкофазных СВС-процессов и литых материалов

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Laboratory of SHS melts and cast materials

142432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

yukh@ism.ac.ruАникинЮ. А.AnikinYu. A.

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

Cand. Sci. (Tech.), Leading research scientist, Department of functional nanosystems and high-temperature materials

119049, Moscow, Leninsky pr., 4

otcm2004@mail.ruИкорниковД. М.IkornikovD. M.

Младший научный сотрудник лаборатории жидкофазных СВС-процессов и литых материалов

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

Junior research scientist, Laboratory of SHS melts and cast materials

142432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

den@ism.ac.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology (NUST) «MISIS»Russian FederationИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РAH (ИСМАН)РоссияInstitute of Structural Macrokinetics and Materials, Russian Academy of Sciences (ISMAN)Russian Federation201918062019023341Copyright © Санин В.В., Филонов М.Р., Юхвид В.И., Аникин Ю.А., Икорников Д.М., 20192019Санин В.В., Филонов М.Р., Юхвид В.И., Аникин Ю.А., Икорников Д.М.Sanin V.V., Filonov M.R., Yukhvid V.I., Anikin Y.A., Ikornikov D.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/444

Изучено влияние различных методов получения сплавов системы Cu–Fe из несмешивающихся компонентов. Сплавы с ограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях долгое время было невозможно получать традиционными металлургическими методами. В связи с этим актуальной проблемой в настоящее время является разработка малозатратных и простых технологий по получению таких сплавов и материалов на их основе, позволяющих задавать необходимый уровень физико-механических свойств. В данной работе впервые использовался энергоэффективный метод СВС-металлургии для получения псевдосплава состава, мас.%: 70Cu–30Fe из оксидных материалов. Эта технология предлагает использование химической энергии, выделяемой в процессе взаимодействия высокоэкзотермических составов термитного типа (в режиме горения), что делает этот метод одним из самых энергоэффективных для получения литых материалов. Короткое время синтеза (десятки секунд) и защита верхней поверхности слитка оксидным расплавом (Al2O3) от окисления позволяют проводить процесс в условиях атмосферы. Для сравнительного анализа структурных составляющих образцов сплава были получены стержни аналогичного состава методом вакуумной индукционной плавки из чистых (беспримесных) компонентов Fe и Сu. Выявлено, что высокие температуры расплава СВС-сплава обеспечивают повышенную растворимость Cu в Fe. Затем при кристаллизации структурные составляющие выделяются в виде мелких диспергированных частиц по всему объему, образуя иерархическую структуру, характерную только для сплава СВС. Сплавы 70Cu–30Fe, полученные в режиме горения (СВС), имеют однородную, гомогенную структуру с равномерным распределением всех структурных составляющих по объему образца, что может иметь большой практический интерес, в частности при создании изотропных и анизотропных магнитожестких материалов с высоким значением магнитной энергии.

The influence of different methods used to produce Fe–Cu alloys from immiscible components was studied. Alloys with limited solubility (LS) or pseudoalloys (PA) in a liquid or solid state have long been impossible to obtain with traditional metallurgy methods. This is why developing low-cost and simple technologies to produce such alloys and materials based on them with a possibility to set the required level of physical and mechanical properties is still a relevant problem. This study uses energy-efficient SHS metallurgy method to produce a pseudoalloy with a composition, wt.%: 70Cu–30Fe from oxide materials for the first time. This technology offers using chemical energy generated in the reaction of highly exothermic thermit compositions (in a combustion mode) making it a very energy-efficient method for cast material production. Short synthesis time (tens of seconds), and top surface of ingots protected from oxidation with an oxide melt (Al2O3) enables synthesis in atmospheric conditions. Rods with the same composition were obtained using single-stage vacuum induction remelting from pure (impurity-free) Fe and Cu components for comparative structural studies of alloy sample components. It was found that high melting temperatures of the SHS alloy provides higher solubility of Cu in Fe. Then, when crystallized, structural components are released in the form of small dispersed particles throughout the volume and form a hierarchical structure typical for the SHS alloy only. 70Cu–30Fe alloys produced in a combustion mode (SHS) have a homogeneous structure with structural components distributed uniformly throughout the sample volume, which can be of great practical interest, in particular, for making isotropic and anisotropic hard-magnetic materials with high magnetic energy.

псевдосплавыCu–FeСВС-металлургиявакуумная индукционная плавканесмешивающиеся расплавыиерархическая структураpseudoalloysCu–FeSHS metallurgyvacuum induction remeltingimmiscible meltshierarchical structureИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00932ReferencesЛившиц Б.Г., Линецкий Я.Л., Крапошин В.С. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980.Livshits B.G., Linetskii Ya.L., Kraposhin V.S. Physical properties of metals and alloys. Moscow: Metallurgiya, 1980 (In Russ.).Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Сплавы на основе систем с ограниченной растворимостью в жидком состоянии. Москва: Интерконтакт Наука, 2002.Avraamov Yu.S., Shlyapin A.D. Alloys based on systems with limited solubility in the liquid state. Moscow: Intercontact Nauka, 1980 (In Russ.).Bachmaier A., Schmauch J., Aboulfadl H., Verch A., Motz C. On the process of co-deformation and phase dissolution in a hard-soft immiscible Cu single bond Co alloy system during high-pressure torsion deformation. Acta Mater. 2016. Vol. 115. P. 333—346.Bachmaier A., Schmauch J., Aboulfadl H., Verch A., Motz C. On the process of co-deformation and phase dissolution in a hard-soft immiscible Cu single bond Co alloy system during high-pressure torsion deformation. Acta Mater. 2016. Vol. 115. P. 333—346.Zhou Sh., Lei J., Xiong Z, Guo J. Gu. Z., Pan H. Effect of Fe content on microstructure and mechanical properties of Cu—Fe-based composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2016. Vol. 26. No. 12. P. 3196—3204. DOI: https://doi.org/10.1016/S1003-6326(16)64452-7Zhou Sh., Lei J., Xiong Z, Guo J. Gu. Z., Pan H. Effect of Fe content on microstructure and mechanical properties of Cu—Fe-based composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2016. Vol. 26. No. 12. P. 3196—3204. DOI: https://doi.org/10.1016/S1003-6326(16)64452-7Dublon G., Habbal F., Bell J.L. Permanent magnet properties of in situ formed multifilamentary composites. J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53. No. 11 P. 8333—8337.Dublon G., Habbal F., Bell J.L. Permanent magnet properties of in situ formed multifilamentary composites. J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53. No. 11 P. 8333—8337.Shi G., Chen H., Jiang H., Wang Z., Tang H., Fan Y. Strengthening mechanisms of Fe nanoparticles for single crystal Cu—Fe alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 636. P. 43— 47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.03.081.Shi G., Chen H., Jiang H., Wang Z., Tang H., Fan Y. Strengthening mechanisms of Fe nanoparticles for single crystal Cu—Fe alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 636. P. 43— 47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.03.081.Prokoshkina D., Esin V., Divinski S. Experimental evidence for anomalous grain boundary diffusion of Fe in Cu and Cu—Fe alloys. Acta Mater. 2017. Vol. 133. P. 240—246. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.024.Prokoshkina D., Esin V., Divinski S. Experimental evidence for anomalous grain boundary diffusion of Fe in Cu and Cu—Fe alloys. Acta Mater. 2017. Vol. 133. P. 240—246. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.024.Mina R., Hamed M., Abolghasem A. Processing of Cu— Fe and Cu—Fe—SiC nanocomposites by mechanical alloying. Adv. Powder Technol. 2017. Vol. 28. No. 8. P. 1882—1887. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apt.2017.04.023Mina R., Hamed M., Abolghasem A. Processing of Cu— Fe and Cu—Fe—SiC nanocomposites by mechanical alloying. Adv. Powder Technol. 2017. Vol. 28. No. 8. P. 1882—1887. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apt.2017.04.023Dong Q., Wanga M., Shen L., Jia Y., Li Z. Diffraction analysis of α-Fe precipitates in a polycrystalline Cu— Fe alloy. Mater. Charact. 2015. Vol. 105. P. 129—135. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2015.05.012.Dong Q., Wanga M., Shen L., Jia Y., Li Z. Diffraction analysis of α-Fe precipitates in a polycrystalline Cu— Fe alloy. Mater. Charact. 2015. Vol. 105. P. 129—135. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2015.05.012.Fenglin W., Wakoh K., Li Y. Ito Sh., Yamanaka K., Koizumi Y., Chiba A. Study of microstructure evolution and properties of Cu—Fe microcomposites produced by a prealloyed powder method. Mater. Design. 2017. Vol. 126. P. 64—72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.04.017Fenglin W., Wakoh K., Li Y. Ito Sh., Yamanaka K., Koizumi Y., Chiba A. Study of microstructure evolution and properties of Cu—Fe microcomposites produced by a prealloyed powder method. Mater. Design. 2017. Vol. 126. P. 64—72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.04.017Cutrano C.S., Lekka Ch.E. Structural, magnetic and electronic properties of Cu-Fe nanoclusters by density functional theory calculations. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 707. P. 114—119. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.425Cutrano C.S., Lekka Ch.E. Structural, magnetic and electronic properties of Cu-Fe nanoclusters by density functional theory calculations. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 707. P. 114—119. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.425Yufei W., Haiyan G., Yanfeng H., Yongbing D., Jun W, Baode S. First-principles study on the solubility of iron in dilute Cu—Fe—X alloys. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 691. P. 992—996. http://dx.doi.org/10.1016/j. jallcom.2016.08.247.Yufei W., Haiyan G., Yanfeng H., Yongbing D., Jun W, Baode S. First-principles study on the solubility of iron in dilute Cu—Fe—X alloys. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 691. P. 992—996. http://dx.doi.org/10.1016/j. jallcom.2016.08.247.Elofsson V., Almyras G.A., Lü B., Boy R.D., Sarakinos K. Atomic arrangement in immiscible Ag—Cu alloys synthesized far-from-equilibrium. Acta Mater. 2016. Vol. 110. P. 114—121. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.03.023Elofsson V., Almyras G.A., Lü B., Boy R.D., Sarakinos K. Atomic arrangement in immiscible Ag—Cu alloys synthesized far-from-equilibrium. Acta Mater. 2016. Vol. 110. P. 114—121. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.03.023Yanhui L., Xingjie J., Yongqiang X., Chuntao C., Guoqiang X., Wei. Z. Soft magnetic Fe—Si—B—Cu nanocrystalline alloys with high Cu concentrations. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 722. P. 859—863. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.128Yanhui L., Xingjie J., Yongqiang X., Chuntao C., Guoqiang X., Wei. Z. Soft magnetic Fe—Si—B—Cu nanocrystalline alloys with high Cu concentrations. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 722. P. 859—863. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.128Ghannami M.E., Gómez-Polo C., Rivero G. Hernando A. Exchange correlation length and magnetoresistance in Fe—Cu and Fe—Cu—Ni melt-spun ribbons. Eur. Lett. 1994. Vol. 26. No. 9. P. 701—706.Ghannami M.E., Gómez-Polo C., Rivero G. Hernando A. Exchange correlation length and magnetoresistance in Fe—Cu and Fe—Cu—Ni melt-spun ribbons. Eur. Lett. 1994. Vol. 26. No. 9. P. 701—706.Zhiliang P., Timothy J., Rupert D. Formation of ordered and disordered interfacial films in immiscible metal alloys. Scripta Mater. 2017. Vol. 130. P. 91—95. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.11.025.Zhiliang P., Timothy J., Rupert D. Formation of ordered and disordered interfacial films in immiscible metal alloys. Scripta Mater. 2017. Vol. 130. P. 91—95. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.11.025.Jo H.R., Kim J.T., Hong S.H., Kim Yo.S., Park H.J., Park W.J., Park J.M., Kim K.B. Effect of silicon on microstructure and mechanical properties of Cu-Fe alloys. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 707. P. 184—188. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.352Jo H.R., Kim J.T., Hong S.H., Kim Yo.S., Park H.J., Park W.J., Park J.M., Kim K.B. Effect of silicon on microstructure and mechanical properties of Cu-Fe alloys. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 707. P. 184—188. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.352Chen Y., Li N., Bufford D.C., Li J., Hattar K., Wang H., Zhang X. In situ study of heavy ion irradiation response of immiscible Cu/Fe multilayers. J. Nucl. Mater. 2016. Vol. 475. P. 274—279.Chen Y., Li N., Bufford D.C., Li J., Hattar K., Wang H., Zhang X. In situ study of heavy ion irradiation response of immiscible Cu/Fe multilayers. J. Nucl. Mater. 2016. Vol. 475. P. 274—279.Yang Ya., Wang D., Lin J., Khan D. F., Lin G., Jidong Ma. Evolution of structure and fabrication of Cu/Fe multilayered composites by a repeated diffusion-rolling procedure. Mater. Design. 2015. Vol. 85. P. 635—639. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.082.Yang Ya., Wang D., Lin J., Khan D. F., Lin G., Jidong Ma. Evolution of structure and fabrication of Cu/Fe multilayered composites by a repeated diffusion-rolling procedure. Mater. Design. 2015. Vol. 85. P. 635—639. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.082.Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов. Черноголовка: ИСМАН, 1998.Merzhanov A.G. Combustion processes and synthesis of materials. Chernogolovka: ISMAN, 1998 (In Russ.).Санин В.Н., Икорников Д.М., Андреев Д.Е., Юхвид В.И. Центробежная СВС-металлургия эвтектических сплавов на основе алюминида никеля. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2013. No. 3. C. 35—42.Sanin V.N., Ikornikov D.M., Andreev D.E., Yukhvid V.I. Centrifugal SHS-metallurgy of eutectic alloys based on nickel aluminum. Izv. vuzov. Рoroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2013. No. 3. P. 35—42.Sanin V.N., Yukhvid V.I., Merzhanov A.G. The influence of high-temperature melt infiltration under centrifugal forces on SHS processes in gasless systems. Int. J. SelfPropag. High-Temp. Synth. 2002. Vol. 11. No.1. P. 31—44.Sanin V.N., Yukhvid V.I., Merzhanov A.G. The influence of high-temperature melt infiltration under centrifugal forces on SHS processes in gasless systems. Int. J. SelfPropag. High-Temp. Synth. 2002. Vol. 11. No.1. P. 31—44.Shiryaev A.A. Thermodynamics of SHS processes: An advanced approach. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1995. Vol. 2. No. 4. P. 351—362.Shiryaev A.A. Thermodynamics of SHS processes: An advanced approach. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 1995. Vol. 2. No. 4. P. 351—362.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.