МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Al2РЗМ И СПЛАВОВ Al-Y, Al-Ni-РЗМ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
|
Актуальность работы. Сплавы на основе алюминия с редкоземельными металлами (РЗМ) находят широкое применение в различных отраслях техники благодаря высоким служебным характеристикам (прочность, твердость). При легировании сплавов Al-РЗМ переходными 3d-металлами (ПМ) наряду с прочностью эти материалы проявляют пластичность и коррозионную стойкость. При определенных концентрациях РЗМ и ПМ возможно получение алюминиевых сплавов в аморфном и нанокристаллическом состояниях. В некристаллических фазах эти объекты проявляют более высокие механические характеристики, чем в кристаллическом состоянии. Рассматриваемые объекты применяются в оборонной промышленности в качестве защитных покрытий авиационной техники, работающей при термических нагрузках, а также являются перспективными материалами для подложек тонкопленочных транзисторов в TFT -ЬСИ устройствах.
Согласно существующим представлениям, основным кластерообразующим элементом расплавов А1-РЗМ являются ассоциаты А12РЗМ [1,3], которые, в свою очередь, имеют склонность к полимеризации, что резко повышает способность расплавов к аморфизации. Проведенные ранее экспериментальные и теоретические исследования сплавов А1-РЗМ [1-3] и интерметаллических соединений А111РЗМ3 и А13РЗМ [3] показали, что образования из диалюминида РЗМ существуют в расплавах даже при существенных перегревах над ликвидусом. Из результатов термодинамического моделирования следует, что эти ассоциаты могут существовать при температурах свыше 2000 К. Однако, данная гипотеза пока не нашла прямого экспериментального подтверждения: имеющиеся в литературе данные по строению и физическим свойствам интерметаллических соединений А12РЗМ получены, в основном, для низких температур, а результаты для Т> 300 К весьма ограничены и противоречивы.
В тоже время, важной проблемой является исследование характера взаимодействия легирующих примесей РЗМ и ПМ с алюминиевой матрицей, а также изучение влияния добавок этих компонентов на электронное строение и магнитные свойства сплавов А1-РЗМ и А1-ПМ-РЗМ.
Учитывая вышесказанное, экспериментальное исследование физических свойств чувствительных к изменению электронной структуры, например, магнитной восприимчивости соединений А12РЗМ и сплавов А1-РЗМ, А1-ПМ-РЗМ в кристаллическом и жидком состояниях представляется актуальным.
В качестве объектов исследования в настоящей работе были выбраны интерметаллические соединения А12РЗМ и сплавы А1-У, А1-№-РЗМ в области богатой алюминием.
Цель работы: Экспериментальное исследование магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, La, Се, 8ш. Gd, Иу, Но, УЪ) и сплавов А1-У, А1-№-РЗМ (РЗМ=У, La, Се) стеклообразующих составов при высоких температурах, включая область твердого и жидкого состояний.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
• Провести модернизацию экспериментальной установки и ее калибровку по ряду чистых металлов (А1, Ы, Со, Fe, Мп, Та, 2г, Се, 8ш, Оф Иу, Но).
• Исследовать температурные, временные и полевые зависимости магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се, Зш, Ой, Эу. Но, УЪ) и А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се) в кристаллическом и жидком состояниях в широком диапазоне температур (Т = 290 ^ 1900 К) и полей (В = 0,3 + 1,3 Тл).
• Изучить температурные, концентрационные и временные зависимости магнитной восприимчивости сплавов А1-У в твердом и жидком состояниях.
• Из экспериментальных данных рассчитать параметры электронной структуры соединений А12РЗМ и сплавов А1-У, А1-№-РЗМ.
• Установить механизм влияния иттрия на магнитную восприимчивость и параметры электронной структуры сплавов А1-У, а также никеля и редкоземельных металлов на электронное строение сплавов А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се).
Научная новизна
В работе впервые:
• Проведены экспериментальные исследования магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се, Зш, Ой, Эу, Но, УЪ) и сплавов А1-У и А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се) в широком интервале температур (Т = 290 ^ 1900 К) и полей (В=0,3-1,3 Тл), включая область твердого и жидкого состояния. Для соединений А12Ой и А12Пу изучена плотность.
• Для всех изученных соединений и сплавов обнаружен рост магнитной восприимчивости, начинающийся выше температуры плавления соответствующего интерметаллида А12РЗМ. У соединений А12РЗМ (РЗМ= Се, Зш, Ой, Эу, Но, УЪ) зафиксировано наличие зависимости магнитной восприимчивости от приложенного магнитного поля в жидкой фазе.
• Установлено, что концентрационные зависимости восприимчивости для сплавов А1-У имеют линейный вид с разными коэффициентами наклона в твердом и жидком состояниях.
• Температурные зависимости магнитной восприимчивости самария и интерметаллического соединения А12Зт описаны с помощью парамагнетизма Ван-Флека с учетом переменной валентности и вклада электронов проводимости. Определено изменение эффективной валентности самария в металле и соединении А12Зт с ростом температуры.
• Рассчитаны характеристики электронной структуры соединений А12РЗМ и сплавов А1-У, А1-№-У(Се). Установлено, что в соединениях А12РЗМ эффективный магнитный момент, приходящийся на атом РЗМ, меньше, чем для свободного иона И3+.
Защищаемые положения:
• Рост магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се, Зш, Ой, Эу, Но, УЪ) и сплавов А1-У, А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се), начинающийся выше температуры плавления соответствующего соединения А12РЗМ.
• В соединениях А12РЗМ эффективный магнитный момент, приходящийся на атом РЗМ, имеет меньшие значения, чем свободный ион РЗМ3+.
• Атомы РЗМ в соединениях Al2РЗМ и сплавах Al-Y, Al-Ni-РЗМ образуют направленные связи с атомами алюминия.
• Изменение эффективной валентности Sm в металле и интерметаллическом соединении Al2Sm с увеличением температуры.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик, применением современных методов статистической обработки экспериментальных данных, корректной оценкой погрешности измерений, воспроизводимостью результатов эксперимента и сравнением их с имеющимися литературными данными по магнитным свойствам металлов и интерметаллических соединений в твердом и жидком состояниях.
Практическая значимость работы
Сплавы Al-РЗМ и Al-РЗМ-ПМ, обладающие достаточно высокой прочностью и относительно малой плотностью, являются перспективными конструкционными материалами. Полученные экспериментальные данные о магнитной восприимчивости и рассчитанные характеристики электронной структуры могут быть использованы для построения модели, описывающей механизм влияния примесных атомов в кристаллическом и жидком алюминии, и для оптимизации температурных режимов выплавки сплавов и соединений алюминия с редкоземельными и 3d-переходными металлами.
Результаты для чистых металлов могут быть использованы в качестве справочных данных.
Личный вклад автора
Автором подготовлены образцы для исследований; проведена калибровка экспериментальной установки по чистым металлам; исследованы температурные, временные, концентрационные и полевые зависимости магнитной восприимчивости интерметаллических соединений Al2РЗМ и сплавов Al-Y, Al-Ni-РЗМ (РЗМ=Y, La, Се); проведена обработка полученных данных. Совместно с Филипповым В.В. автоматизирована установка по измерению магнитной восприимчивости.
Обсуждение экспериментальных результатов и их интерпретация проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях: конференции молодых учёных «КоМУ - 2008, 2011», Ижевск, Россия, 2008, 2011; конференции «Математическое и компьютерное моделирование технологических процессов - 2008», (ММТ - 2008), Ариель, Израиль, 2008; V и VI Российских научно-технических конференциях «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, Россия, 2009, 2011; школе-семинаре «44-ая Школа ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния», (ФКС -2010), Гатчина, Россия, 2010; Международной конференции по интерметаллическим соединениям (1МС-Х1), Львов, Украина, 2010; Международной конференции по жидким и аморфным металлам (ГАМ-ХШ). Рим, Италия, 2010; конференции «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов», Курган, Россия, 2010; 17-ой Международной конференции «Кристаллические соединения
переходных элементов» (БСТЕ-2010), Анси, Франция, 2010; Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-13), Новосибирск, Россия, 2011.
Работа выполнена на кафедре общей физики и естествознания в соответствии с планами научно-исследовательских работ, проводимых в НИЦ «Расплав» Института физики и технологии ФГБОУ ВПО УрГПУ; грантов РФФИ: №№ 06-08- 01290-а и 07-02-01049-а, Федеральной целевой программы ФЦП НК-255/1.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 статьях в рецензируемых научных журналах (4 входят в перечень российских журналов ВАК, 1 - в зарубежном журнале), 3 статьях в сборниках научных трудов и 10 тезисах докладов конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 145 страницах, содержит 12 таблиц и 64 рисунка. Список цитируемой литературы включает 171 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Согласно существующим представлениям, основным кластерообразующим элементом расплавов А1-РЗМ являются ассоциаты А12РЗМ [1,3], которые, в свою очередь, имеют склонность к полимеризации, что резко повышает способность расплавов к аморфизации. Проведенные ранее экспериментальные и теоретические исследования сплавов А1-РЗМ [1-3] и интерметаллических соединений А111РЗМ3 и А13РЗМ [3] показали, что образования из диалюминида РЗМ существуют в расплавах даже при существенных перегревах над ликвидусом. Из результатов термодинамического моделирования следует, что эти ассоциаты могут существовать при температурах свыше 2000 К. Однако, данная гипотеза пока не нашла прямого экспериментального подтверждения: имеющиеся в литературе данные по строению и физическим свойствам интерметаллических соединений А12РЗМ получены, в основном, для низких температур, а результаты для Т> 300 К весьма ограничены и противоречивы.
В тоже время, важной проблемой является исследование характера взаимодействия легирующих примесей РЗМ и ПМ с алюминиевой матрицей, а также изучение влияния добавок этих компонентов на электронное строение и магнитные свойства сплавов А1-РЗМ и А1-ПМ-РЗМ.
Учитывая вышесказанное, экспериментальное исследование физических свойств чувствительных к изменению электронной структуры, например, магнитной восприимчивости соединений А12РЗМ и сплавов А1-РЗМ, А1-ПМ-РЗМ в кристаллическом и жидком состояниях представляется актуальным.
В качестве объектов исследования в настоящей работе были выбраны интерметаллические соединения А12РЗМ и сплавы А1-У, А1-№-РЗМ в области богатой алюминием.
Цель работы: Экспериментальное исследование магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, La, Се, 8ш. Gd, Иу, Но, УЪ) и сплавов А1-У, А1-№-РЗМ (РЗМ=У, La, Се) стеклообразующих составов при высоких температурах, включая область твердого и жидкого состояний.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
• Провести модернизацию экспериментальной установки и ее калибровку по ряду чистых металлов (А1, Ы, Со, Fe, Мп, Та, 2г, Се, 8ш, Оф Иу, Но).
• Исследовать температурные, временные и полевые зависимости магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се, Зш, Ой, Эу. Но, УЪ) и А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се) в кристаллическом и жидком состояниях в широком диапазоне температур (Т = 290 ^ 1900 К) и полей (В = 0,3 + 1,3 Тл).
• Изучить температурные, концентрационные и временные зависимости магнитной восприимчивости сплавов А1-У в твердом и жидком состояниях.
• Из экспериментальных данных рассчитать параметры электронной структуры соединений А12РЗМ и сплавов А1-У, А1-№-РЗМ.
• Установить механизм влияния иттрия на магнитную восприимчивость и параметры электронной структуры сплавов А1-У, а также никеля и редкоземельных металлов на электронное строение сплавов А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се).
Научная новизна
В работе впервые:
• Проведены экспериментальные исследования магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се, Зш, Ой, Эу, Но, УЪ) и сплавов А1-У и А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се) в широком интервале температур (Т = 290 ^ 1900 К) и полей (В=0,3-1,3 Тл), включая область твердого и жидкого состояния. Для соединений А12Ой и А12Пу изучена плотность.
• Для всех изученных соединений и сплавов обнаружен рост магнитной восприимчивости, начинающийся выше температуры плавления соответствующего интерметаллида А12РЗМ. У соединений А12РЗМ (РЗМ= Се, Зш, Ой, Эу, Но, УЪ) зафиксировано наличие зависимости магнитной восприимчивости от приложенного магнитного поля в жидкой фазе.
• Установлено, что концентрационные зависимости восприимчивости для сплавов А1-У имеют линейный вид с разными коэффициентами наклона в твердом и жидком состояниях.
• Температурные зависимости магнитной восприимчивости самария и интерметаллического соединения А12Зт описаны с помощью парамагнетизма Ван-Флека с учетом переменной валентности и вклада электронов проводимости. Определено изменение эффективной валентности самария в металле и соединении А12Зт с ростом температуры.
• Рассчитаны характеристики электронной структуры соединений А12РЗМ и сплавов А1-У, А1-№-У(Се). Установлено, что в соединениях А12РЗМ эффективный магнитный момент, приходящийся на атом РЗМ, меньше, чем для свободного иона И3+.
Защищаемые положения:
• Рост магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се, Зш, Ой, Эу, Но, УЪ) и сплавов А1-У, А1-№-РЗМ (РЗМ=У, Ьа, Се), начинающийся выше температуры плавления соответствующего соединения А12РЗМ.
• В соединениях А12РЗМ эффективный магнитный момент, приходящийся на атом РЗМ, имеет меньшие значения, чем свободный ион РЗМ3+.
• Атомы РЗМ в соединениях Al2РЗМ и сплавах Al-Y, Al-Ni-РЗМ образуют направленные связи с атомами алюминия.
• Изменение эффективной валентности Sm в металле и интерметаллическом соединении Al2Sm с увеличением температуры.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик, применением современных методов статистической обработки экспериментальных данных, корректной оценкой погрешности измерений, воспроизводимостью результатов эксперимента и сравнением их с имеющимися литературными данными по магнитным свойствам металлов и интерметаллических соединений в твердом и жидком состояниях.
Практическая значимость работы
Сплавы Al-РЗМ и Al-РЗМ-ПМ, обладающие достаточно высокой прочностью и относительно малой плотностью, являются перспективными конструкционными материалами. Полученные экспериментальные данные о магнитной восприимчивости и рассчитанные характеристики электронной структуры могут быть использованы для построения модели, описывающей механизм влияния примесных атомов в кристаллическом и жидком алюминии, и для оптимизации температурных режимов выплавки сплавов и соединений алюминия с редкоземельными и 3d-переходными металлами.
Результаты для чистых металлов могут быть использованы в качестве справочных данных.
Личный вклад автора
Автором подготовлены образцы для исследований; проведена калибровка экспериментальной установки по чистым металлам; исследованы температурные, временные, концентрационные и полевые зависимости магнитной восприимчивости интерметаллических соединений Al2РЗМ и сплавов Al-Y, Al-Ni-РЗМ (РЗМ=Y, La, Се); проведена обработка полученных данных. Совместно с Филипповым В.В. автоматизирована установка по измерению магнитной восприимчивости.
Обсуждение экспериментальных результатов и их интерпретация проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях: конференции молодых учёных «КоМУ - 2008, 2011», Ижевск, Россия, 2008, 2011; конференции «Математическое и компьютерное моделирование технологических процессов - 2008», (ММТ - 2008), Ариель, Израиль, 2008; V и VI Российских научно-технических конференциях «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, Россия, 2009, 2011; школе-семинаре «44-ая Школа ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния», (ФКС -2010), Гатчина, Россия, 2010; Международной конференции по интерметаллическим соединениям (1МС-Х1), Львов, Украина, 2010; Международной конференции по жидким и аморфным металлам (ГАМ-ХШ). Рим, Италия, 2010; конференции «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов», Курган, Россия, 2010; 17-ой Международной конференции «Кристаллические соединения
переходных элементов» (БСТЕ-2010), Анси, Франция, 2010; Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-13), Новосибирск, Россия, 2011.
Работа выполнена на кафедре общей физики и естествознания в соответствии с планами научно-исследовательских работ, проводимых в НИЦ «Расплав» Института физики и технологии ФГБОУ ВПО УрГПУ; грантов РФФИ: №№ 06-08- 01290-а и 07-02-01049-а, Федеральной целевой программы ФЦП НК-255/1.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 статьях в рецензируемых научных журналах (4 входят в перечень российских журналов ВАК, 1 - в зарубежном журнале), 3 статьях в сборниках научных трудов и 10 тезисах докладов конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 145 страницах, содержит 12 таблиц и 64 рисунка. Список цитируемой литературы включает 171 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
При выполнении диссертационного исследования были получены следующие результаты и сформулированы выводы:
1. Исследованы температурные, полевые и временные зависимости магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ и сплавов Al-Ni-РЗМ. Установлено, что для ряда соединений А12РЗМ (РЗМ=Се, Gd, Dy, Ho, Yb) и сплавов Al-Ni-Y(Ce) в кристаллическом состоянии зависимость магнитной восприимчивости от температуры следует закону Кюри - Вейсса.
2. Для всех исследуемых интерметаллических соединений и сплавов обнаружено аномальное увеличение значений восприимчивости выше температур, соответствующих точкам плавления интерметаллических соединений А12РЗМ.
3. Интерметаллические соединения А12РЗМ (РЗМ=Се, Sm, Gd, Dy, Ho, Yb) в жидком состоянии, обладают зависимостью магнитной восприимчивости от индукции внешнего магнитного поля.
4. Температурные зависимости магнитной восприимчивости самария и интерметаллического соединения A12Sm удовлетворительно описываются в рамках теории Ван-Флека только с учетом переменной валентности самария и вклада делокализованных электронов. Изменение эффективной валентности составляет Z=2.97-2.60 для чистого самария в интервале температур T=300-1200 К и Z=2.95-2.70 для интерметаллического соединения A12Sm в интервале температур T=300-1650 К.
5. Изучены температурные и временные зависимости магнитной восприимчивости сплавов бинарной системы A1-Y с содержанием иттрия до 10 ат.% и интерметаллического соединения A13Y в твердом и жидком состояниях. Концентрационные зависимости восприимчивости сплавов A1-Y имеют линейный вид с различным коэффициентом наклона в твердом и жидком состояниях.
6. Эффективный магнитный момент, приходящийся на атом РЗМ в интерметаллических соединениях A12РЗМ и сплавах Ai-Ni-РЗМ, меньше, чем для свободных ионов R3+. Данный факт свидетельствует об образовании направленных связей между атомами алюминия и РЗМ.
1. Исследованы температурные, полевые и временные зависимости магнитной восприимчивости интерметаллических соединений А12РЗМ и сплавов Al-Ni-РЗМ. Установлено, что для ряда соединений А12РЗМ (РЗМ=Се, Gd, Dy, Ho, Yb) и сплавов Al-Ni-Y(Ce) в кристаллическом состоянии зависимость магнитной восприимчивости от температуры следует закону Кюри - Вейсса.
2. Для всех исследуемых интерметаллических соединений и сплавов обнаружено аномальное увеличение значений восприимчивости выше температур, соответствующих точкам плавления интерметаллических соединений А12РЗМ.
3. Интерметаллические соединения А12РЗМ (РЗМ=Се, Sm, Gd, Dy, Ho, Yb) в жидком состоянии, обладают зависимостью магнитной восприимчивости от индукции внешнего магнитного поля.
4. Температурные зависимости магнитной восприимчивости самария и интерметаллического соединения A12Sm удовлетворительно описываются в рамках теории Ван-Флека только с учетом переменной валентности самария и вклада делокализованных электронов. Изменение эффективной валентности составляет Z=2.97-2.60 для чистого самария в интервале температур T=300-1200 К и Z=2.95-2.70 для интерметаллического соединения A12Sm в интервале температур T=300-1650 К.
5. Изучены температурные и временные зависимости магнитной восприимчивости сплавов бинарной системы A1-Y с содержанием иттрия до 10 ат.% и интерметаллического соединения A13Y в твердом и жидком состояниях. Концентрационные зависимости восприимчивости сплавов A1-Y имеют линейный вид с различным коэффициентом наклона в твердом и жидком состояниях.
6. Эффективный магнитный момент, приходящийся на атом РЗМ в интерметаллических соединениях A12РЗМ и сплавах Ai-Ni-РЗМ, меньше, чем для свободных ионов R3+. Данный факт свидетельствует об образовании направленных связей между атомами алюминия и РЗМ.
Подобные работы
- ВЛИЯНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТЕКЛООБРАЗУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СПЛАВОВ Al-Ni-Co-R
Диссертации (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 4370 р. Год сдачи: 2021