Получение сплава 70%Cu–30%Fe методами СВС-металлургии и электрометаллургии. Сравнительный анализ микроструктур

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.

1. Лившиц Б.Г., Линецкий Я.Л., Крапошин В.С. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980.

2. Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Сплавы на основе систем с ограниченной растворимостью в жидком состоянии. Москва: Интерконтакт Наука, 2002.

3. 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.

4. 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)64452-7

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.2017.04.023

9. 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.

10. 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.2017.04.017

11. Cutrano 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.2016.11.425

12. 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.

13. 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.2016.03.023

14. Yanhui 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.2017.06.128

15. 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.

16. 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.

17. 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.2016.12.352

18. 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.

19. 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.

20. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов. Черноголовка: ИСМАН, 1998.

21. 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.

22. 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.

23. 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.