Эллипсометрическое исследование оптических свойств и процессов окисления прессованных порошков на основе сплавов алюминия

Приведены результаты эллипсометрического исследования прессованных порошков двойных сплавов на основе алюминия, содержащих 1,5 мас.% редкоземельных элементов (Sc, La, Ce, Sm), и литейных силуминов состава, мас.%: Al–10Si– 0,5Mg–0,3Fe–0,1Ca и Al–12Si–0,6Mg–0,5Fe–0,5Ca–0,45Na. Иммерсионным методом определены оптические постоянные массивных поликристаллических сплавов, полученных переплавом указанных порошков в вакууме, а также их оксидных пленок для длины волны λ = 0,6328 мкм. C использованием оптических постоянных этих материалов рассчитаны зависимости их отражательной способности от толщины поверхностной оксидной пленки. Выявлено, что с увеличением количества легирующего компонента и интерметаллидных фаз в сплаве уменьшается его отражательная способность. Оптические постоянные использовались также при построении модифицированных Δ–ψ-номограмм, полученных на основе уравнения Максвелла–Гарнетта, позволяющих определять толщины оксидных пленок частиц и объемные доли металла в прессованных порошках, а также исследовать процессы их окисления на воздухе. Показано, что окисление порошков алюминия АСД-4 и двойных сплавов Al–1,5%РЗМ при температуре 600 °С описывается простой моделью, в которой уменьшение доли металла приводит к увеличению толщины оксидной пленки. Оказалось, что окисление силуминов идет значительно быстрее и не описывается указанной моделью, что может быть связано с появлением жидкой фазы в порошке. Образование большого числа металлических капель на поверхности частиц приводит к увеличению количества металла на исследуемой поверхности таблетки в целом. Высокая скорость окисления силуминов на воздухе может быть обусловлена поверхностной активностью магния по отношению к алюминию в жидком состоянии.

1. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. М.: Физматлит, 2009.

2. Tolochko N.K., Laoui T., Khlopkov Yu.V., Mozzharov S.E., Titov V., Ignatiev M.B. Absorptance of powder materials suitable for laser sintering. Rapid Prototyping J. 2000. Vol. 6. No. 3. P. 155—160.

3. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. СПб.: Наука, 2007.

4. Кривилев М.Д., Харанжевский Е.В., Гордеев Г.А., Анкудинов В.Е. Управление лазерным спеканием металлических порошковых смесей. Управление большими системами. 2010. Вып. 31. С. 299—322.

5. Randrianalisoa J., Coquard R., Baillis D. Radiative transfer in two-phase dispersed materials. In: Heat Transfer in Multi-Phase Materials. Advanced Structured Materials. Vol. 2. Berlin: Springer Heidelberg, 2010. P. 187— 234.

6. Иванов Р.A., Селезнёв В.Д. Моделирование и исследование лазерного плавления в методе 3D печати на примере порошка алюминия. Физика. Технологии. Инновации: Сб. науч. тр. Екатеринбург: УрФУ, 2015. C. 89—95.

7. Baillis D., Sacadura J.F. Thermal radiation properties of dispersed media: theoretical prediction and experimental characterization. J. Quant. Spectros. Radiat. Transfer. 2000. Vol. 67. P. 327—363.

8. Gusarov A.V., Kruth J.P. Modelling of radiation transfer in metallic powders at laser treatment. Int. J. Heat Mass Transfer. 2005. Vol. 48. P. 3423—3434.

9. Tancrez M., Taine J. Direct identification of absorption and scattering coefficients and phase function of a porous medium by a Monte Carlo technique. Int. J. Heat Mass Transfer. 2004. Vol. 47. P. 373—383.

10. Boley C.D., Khairallah S.A., Rubenchik A.M. Calculation of laser absorption by metal powders in additive manufacturing. Appl. Optics. 2015. Vol. 54. P. 2477—2482.

11. Laoui T., Wang X., Childs T.H.C., Kruth J.P. Froyen L. Modeling of laser penetration in a powder bed during selective laser sintering of metal powders: Simulations versus experiments. In: Proc. SFF Symp. Austin, 2000. P. 453—460.

12. Fischer P., Karapatis N., Romano V., Glardon R., Weber H.P. A model for the interaction of near-infrared laser pulses with metal powders in selective laser sintering. Appl. Phys. A. 2002. Vol. 74. P. 467—474.

13. Иванова А.М., Котова С.П., Куприянов Н.Л., Петров А.Л., Тарасова Е.Ю., Шишковский И.В. Физические особенности селективного лазерного спекания порошковых металл-полимерных композиций. Квантовая электроника. 1998. Т. 25. No. 5. C. 433—438.

14. Olakanmi E.O. Selective laser sintering/melting (SLS/ SLM) of pure Al, Al—Mg, and Al—Si powders: Effect of processing conditions and powder properties. J. Mater. Process. Technol. 2013. Vol. 213. P. 1387— 1405.

15. Гопиенко В.Г. Металлические порошки алюминия, магния, титана и кремния. Потребительские свойства и области применения. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012.

16. Azzam R.M.A., Bashsara N.M. Ellipsometry and polarized light. Amsterdam: North-Holland Publi. Comp., 1977.

17. Егорова Г.А. Потапов Е.В. Раков А.В. Эллипсометрия тонких прозрачных пленок на алюминии. Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 41. No. 4. С. 643—647.

18. Kempen K., Thijs L., Van Humbeeck J., Kruth J.P. Mechanical properties of AlSi10Mg produced by selective laser melting. Phys. Proc. 2012. Vol. 39. P. 439—446.

19. Aboulkhair N.T., Tuck C., Ashcroft I., Maskery I., Everitt N.M. On the precipitation hardening of selective laser melted AlSi10Mg. Metal. Mater. Trans. A. 2015. Vol. 46. No. 8. P. 3337—3341.

20. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1.

21. Akashev L.A., Popov N.A., Kochedykov V.A., Shevchenko V.G. Ellipsometric study of the surface oxidation of aluminumheavy REM alloys. Russ. metallurgy (Metally). 2011. No. 2. P. 744—747.

22. Popov N.A., Akashev L.A., Kochedykov V.A., Shevchenko V.G. Thermal oxidation of the intermetallic Al3Y surface. Russ. metallurgy (Metally). 2013. No.8. P. 553—556.

23. Akashev L.A., Popov N.A., Kuznetsov M.V., Shevchenko V.G. Thermal oxidation of the surface of binary aluminum alloys with rare-earth metals. Russ. J. Phys. Chem. A. 2015. Vol. 89. No. 5. P. 852—856.

24. Акашев Л.А., Шевченко В.Г., Кочедыков В.А., Попов Н.А. Способ определения толщины тонкой прозрачной пленки: Пат. 2463554 (РФ). 2011.

25. Афанасьев В.К. Поршневые силумины: Учеб. пос. Кемерово: Полиграф, 2005.

26. Garcia-Cordovilla C., Louis E., Pamies A. The surface tension of liquid pure aluminium and aluminium-magnesium alloy. J. Mater. Sci. 1986. Vol. 21. P. 2787—2792.

27. Кононенко В.И., Шевченко В.Г. Физикохимия активации дисперсных систем на основе алюминия. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.