Кристаллохимический анализ и синтез интерметаллидов на основе системы Nb-Al

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. При современном производстве двигателей для самолетов требуются материалы, устойчивые при высоких температурах. До недавнего времени для этого использовали интерметаллид на основе системы Ni-Al Ni3Al, который, как предполагается, подходит к пределу своей прочности [1]. Интерметаллид Nb3Sn применяется в качестве сверхпроводника, и, по некоторым литературным данным [2], замена Sn на Al повысит сверхпроводимость материала, что увеличит эффективность.

Таким образом, уже сейчас требуется разработка новых интерметаллидов, которые позволяют увеличить эффективность двигателей и уменьшить расход топлива, а также могут быть использованы в качестве сверхпроводников. Перспективными заменами на настоящий момент могут считаться интерметаллиды на основе системы Nb-Al, которые обладают большей жаропрочностью и сверхпроводимостью [3].

Цель — синтез и кристаллохимический анализ фаз, входящих в состав системы Nb-Al.

Методы. Для поиска соединений была использована база данных неорганических соединений ISCD [4]. Также был проведен анализ различных литературных источников по фазовым диаграммам. Топологический и структурный анализ проводился при помощи программного обеспечения ToposPro [5]. В качестве метода получения был выбран механохимический синтез, так как он позволяет получить материалы с наноразмерными частицами, которые будут обладать уникальными свойствами [6]. Для синтеза была использована шаровая мельница Retsch PM 100. Для идентификации фаз использовали рентгенофазовый анализ на установке Bruker D2.

Результаты. При помощи базы данных неорганических соединений ICSD [4] были отобраны 37 соединений, содержащих только Nb и Al. После более подробного анализа были удалены соединения с ошибками и дубликаты и осталось только 6 уникальных соединений. Анализ литературных данных по фазовым диаграммам показал, что диаграмма системы (рис. 1) содержит 3 интерметаллидные фазы Al3Nb, Nb2Al, Nb3Al [7]. Данные фазы были найдены и в базе данных ICSD, при этом на диаграмме не представлены сплавы Nb0,79Al0,21, Nb0,84Al0,16, Nb1,75Al0,25. Топологический анализа показал, что при увеличении содержания Nb структура соединений меняется от ГЦК(Al) к ОЦК(Nb). Для синтеза была взята смесь порошков состава Nb-75 ат. %Al, которая перемалывалась в мельнице в течение 40 ч, при скорости 500 об/мин в инертной атмосфере аргона. На 20, 30 и 40 ч производился отбор аликвот для проведения рентгенофазового анализа. В результате сопоставления полученной рентгенограммы с рентгенограммами известных соединений из базы PDF, картотеки ASTM, программы PCPDFWIN совпадений не было найдено. При этом после 30 и 40 ч помола на рентгенограмме видно уменьшение интенсивности и сглаживание рефлексов, что говорит о значительной аморфизации структуры.

 

Рис. 1. Фазовая диаграмма системы Nb-Al [7]

 

Выводы. На основании проведенного теоретического обзора были найдены известные соединения в системе Nb-Al: NbAl3, Nb2Al, Nb3Al, Nb0,79Al0,21, Nb0,84Al0,16, Nb1,75Al0,25. Для каждого из них был произведен топологический анализ, который показал тенденцию к смене структуры при увеличении содержания Nb. Также был проведен механохимический синтез одной из интерметаллидных фаз. Проведенный анализ экспериментальных данных показал, что полученное соединение скорее всего является новым, ранее неизученным.

Полный текст

Обоснование. При современном производстве двигателей для самолетов требуются материалы, устойчивые при высоких температурах. До недавнего времени для этого использовали интерметаллид на основе системы Ni-Al Ni3Al, который, как предполагается, подходит к пределу своей прочности [1]. Интерметаллид Nb3Sn применяется в качестве сверхпроводника, и, по некоторым литературным данным [2], замена Sn на Al повысит сверхпроводимость материала, что увеличит эффективность.

Таким образом, уже сейчас требуется разработка новых интерметаллидов, которые позволяют увеличить эффективность двигателей и уменьшить расход топлива, а также могут быть использованы в качестве сверхпроводников. Перспективными заменами на настоящий момент могут считаться интерметаллиды на основе системы Nb-Al, которые обладают большей жаропрочностью и сверхпроводимостью [3].

Цель — синтез и кристаллохимический анализ фаз, входящих в состав системы Nb-Al.

Методы. Для поиска соединений была использована база данных неорганических соединений ISCD [4]. Также был проведен анализ различных литературных источников по фазовым диаграммам. Топологический и структурный анализ проводился при помощи программного обеспечения ToposPro [5]. В качестве метода получения был выбран механохимический синтез, так как он позволяет получить материалы с наноразмерными частицами, которые будут обладать уникальными свойствами [6]. Для синтеза была использована шаровая мельница Retsch PM 100. Для идентификации фаз использовали рентгенофазовый анализ на установке Bruker D2.

Результаты. При помощи базы данных неорганических соединений ICSD [4] были отобраны 37 соединений, содержащих только Nb и Al. После более подробного анализа были удалены соединения с ошибками и дубликаты и осталось только 6 уникальных соединений. Анализ литературных данных по фазовым диаграммам показал, что диаграмма системы (рис. 1) содержит 3 интерметаллидные фазы Al3Nb, Nb2Al, Nb3Al [7]. Данные фазы были найдены и в базе данных ICSD, при этом на диаграмме не представлены сплавы Nb0,79Al0,21, Nb0,84Al0,16, Nb1,75Al0,25. Топологический анализа показал, что при увеличении содержания Nb структура соединений меняется от ГЦК(Al) к ОЦК(Nb). Для синтеза была взята смесь порошков состава Nb-75 ат. %Al, которая перемалывалась в мельнице в течение 40 ч, при скорости 500 об/мин в инертной атмосфере аргона. На 20, 30 и 40 ч производился отбор аликвот для проведения рентгенофазового анализа. В результате сопоставления полученной рентгенограммы с рентгенограммами известных соединений из базы PDF, картотеки ASTM, программы PCPDFWIN совпадений не было найдено. При этом после 30 и 40 ч помола на рентгенограмме видно уменьшение интенсивности и сглаживание рефлексов, что говорит о значительной аморфизации структуры.

 

Рис. 1. Фазовая диаграмма системы Nb-Al [7]

 

Выводы. На основании проведенного теоретического обзора были найдены известные соединения в системе Nb-Al: NbAl3, Nb2Al, Nb3Al, Nb0,79Al0,21, Nb0,84Al0,16, Nb1,75Al0,25. Для каждого из них был произведен топологический анализ, который показал тенденцию к смене структуры при увеличении содержания Nb. Также был проведен механохимический синтез одной из интерметаллидных фаз. Проведенный анализ экспериментальных данных показал, что полученное соединение скорее всего является новым, ранее неизученным.

×

Об авторах

Тихон Дмитриевич Славнов

Самарский государственный технический университет

Email: t_slavnov@inbox.ru

студент, группа 4-хтф-6, химико-технологический факультет

Россия, Самара

Екатерина Михайловна Егорова

Самарский государственный технический университет

Email: dvoryanova_kat@mail.ru

научный руководитель, кандидат химических наук, доцент

Самара

Ольга Александровна Блатова

Самарский государственный технический

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga_blatova@mail.ru

научный руководитель, кандидат химических наук, доцент

Россия, Самара

Список литературы

  1. Zhao J.C., Westbrook J.H. Ultrahigh-temperature materials for jet engines // Mater Res Soc Bull. 2003. Vol. 28. P. 622–630.
  2. doi: 10.1557/mrs2003.189
  3. Lin W.J., Pan X.F., Yu Z., et al. Significantly enchancement of critical current density properties of mechanical-ly alloyed Nb3Al superconductor by hot-pressure sintering route // Mater Lett. 2017. Vol. 198. P. 176–179. doi: 10.1016/j.matlet.2017.03.104
  4. Комлев Д.И., Калита В.И., Радюк А.А. Пламенные покрытия из порошков интерметаллидов системы Nb-Al // Физика и химия обработки материалов. 2016. № 1. С. 31–39.
  5. Hellenbrandt M. The inorganic crystal structure database (ICSD), present and future // Crystallogr Rev. 2004. Vol. 10, No. 1. P. 17–22. doi: 10.1080/08893110410001664882
  6. topospro.com [Электронный ресурс]. ToposPro. A comprehensive system for geometrical and topological analysis of crystal structures. Доступ по: https://topospro.com/
  7. Wieczorek-Ciurowa K. Mechanochemical syntesis of metallic-ceramic composite powders. Mechanochemical Processing of Nanopowders / M. Sopicka-Lizer, editor. Woodhead Publishing, 2013. P. 193–223. doi: 10.1533/9781845699444.2.193
  8. Binary alloy phase diagrams. Vol. 1 / T.B. Massalski, H. Okamoto, editors. ASM International, 1990. P. 179–181

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фазовая диаграмма системы Nb-Al [7]

Скачать (100KB)
Метаданные

© Славнов Т.Д., Егорова Е.М., Блатова О.А., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах