Введение
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1 Общая характеристика железа 7
1.2 Общая характеристика алюминия 10
1.3 Диаграмма состояния Fe-Al 14
1.4 Свойства интерметаллических фаз системы Fe-Al 20
1.4.1 Механические свойства 22
1.4.2 Электрические и магнитные свойства 28
1.4.3 Стойкость к коррозии и влияние различных сред 28
1.5 Влияние легирующих элементов на свойства Fe3Al 34
ВЫВОДЫ ПО ТЕОРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ 41
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 43
2.1 Методика проведения эксперимента 43
2.2 Используемое в работе оборудование 44
2.3 Условия и режимы экспериментальных наплавок 50
2.4 Анализ полученного образца многослойной наплавки 55
2.4.1 Твёрдость 57
2.4.2 Микроструктура 58
2.4.3 Химический и фазовый состав 63
ВЫВОДЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Железо (Fe), алюминий (Al) и сплавы на их основе – уже классические
металлы, давно используемые человечеством. Данные металлы являются самыми распространёнными в земной коре. Кларк алюминия составляет около
7,45%, а железа – около 4,2%. Исходя из этого, применение этих металлов будет актуально ещё достаточно длительное время. Железо существенно отличается от алюминия по своим физико-химическим свойствам. Благодаря этому
возможно существование множества групп материалов, имеющих оптимальное сочетание свойств данной пары металлов и их сплавов. Примерами таких
групп материалов являются, прежде всего, композиционные материалы с алюминиевой матрицей и волокнами из стали и биметаллы со стальной основой и
алюминиевым покрытием, а также сплавы на основе интерметаллических фаз
системы Fe-Al.
Железоалюминиевые сплавы являются интересным модельным материалом, так как они склонны к образованию упорядоченных сверхструктур в
определённых температурно-концентрационных областях [1], а также потому,
что могут сочетать в себе высокие эксплуатационные свойства, такие как:
прочность, твёрдость, жаростойкость, стойкость к абразивному изнашиванию,
стойкость в агрессивных средах, содержащих серу, хлор, углерод и др. В данной работе основным объектом исследования являются сплавы на основе интерметаллида Fe3Al.
Исследования структуры и свойств сплавов на основе интерметаллида
Fe3Al ведутся более 50 лет [2]. В соответствии с общепринятой классификацией, сплав Fe3Al относят к интерметаллидам [3], в частности, к соединениям
Курнакова – упорядоченным сверхструктурам [4]. Интерметаллид Fe3Al имеет
стехиометрический состав 75% Fe - 25% Al (ат.) и структуру, упорядоченную
по типу D03 в равновесном состоянии при комнатной температуре. Под сплавами на основе интерметаллида Fe3Al следует понимать сплавы системы Fe6
Al с D03 упорядоченной структурой, по составу близкие к стехиометрическому
(25% ат. Al) [2].
Сплавы на основе интерметаллида Fe3Al являются одними из наиболее
применяемых в промышленности сплавов системы Fe-Al. Например, данные
сплавы применяются в качестве материала для изготовления лопаток газовых
турбин авиадвигателей и производства дисков регенераторов автомобильных
газотурбинных систем; как заменители нержавеющей стали в системе выхлопа
[5, 6]; в качестве магнитострикционного материала в сердечниках магнитомеханических преобразователей ультразвуковой техники [7]; для изготовления
деталей печей, горнодобывающего оборудования и др. Также встречаются
упоминания о том, что такие сплавы образуют класс относительно лёгких конструкционных недорогостоящих материалов, предназначенных для работы
при температурах до 680 °С [8].
Помимо упомянутого, также имеются данные о том, что сплавы на основе интерметаллида Fe3Al обладают привлекательными характеристиками,
такими как: хорошая стойкость к окислению, высокая стойкость к действию
карбонизирующих или серо- и хлорсодержащих сред, жаропрочность, лёгкий
вес и преимущество в стоимости по сравнению с обычными высокотемпературными материалами [13]. Применение таких сплавов позволит повысить
срок службы различных элементов механизмов, работающих в условиях повышенного износа, сократить расход дорогостоящих и дефицитных материалов, расширить номенклатуру выпускаемых изделий, а также снизить их массу
и себестоимость.
В связи с привлекательностью практического применения сплавов системы Fe-Al целью работы является получение опытного образца наплавки,
являющейся сплавом на основе интерметаллида Fe3Al, особенностью которой
является одновременная подача в зону горения электрической дуги двух разнородных проволок на основе железа и алюминия, а также последующий анализ полученного образца наплавки.
Сплавы на основе интерметаллида Fe3Al могут выступать в роли заменителей некоторых нержавеющих сталей. Такое решение может быть крайне
практичным при отсутствии возможности введения дорогостоящих легирующих элементов в состав стали.
Эксплуатационные характеристики нелегированных сплавов на основе
интерметаллида Fe3Al, все же, являются несколько худшими в сравнении с нержавеющими сталями. Однако, данный недостаток может быть компенсирован более низкой стоимостью и доступностью сварочных материалов на основе железа и алюминия там, где пониженные эксплуатационные показатели
допустимы. А в случае недопустимого снижения эксплуатационных характеристик, недостатки сплавов на основе интерметаллида Fe3Al могу быть компенсированы дополнительным легированием такими элементами как: хром
(Cr) и кремний (Si).
Ограничивающими факторами при производстве и эксплуатации данных сплавов связаны с низкой пластичностью интерметаллида Fe3Al при комнатных температурах (δ < 4%) [9] и нестабильностью структуры при повышенных температурах. Также ограничивающими факторами могут выступать: недостаточное сопротивление окислению, ненадёжность методов предсказания
длительности эксплуатации изделий из интерметаллидов.
Пластичность интерметаллида Fe3Al можно повысить посредством дополнительного легирования, например хромом, и/или измельчением размеров
зерна [10, 11]. Одним из методов измельчения зерна является интенсивная пластическая деформация [12].
Нестабильность структуры при повышенных температурах связана с изменением физических и механических свойств интерметаллида Fe3Al при фазовом превращении D03 – B2, проходящей при температуре ≈ 550 °С для двух71
компонентной системы (Fe-Al). Повысить стабильность D03 структуры и температуру фазового перехода возможно путём частичной замены Al на Si в интерметаллиде [1] и другими элементами.
В текущей работе была успешно получена многослойная наплавка с применением технологии механизированной одновременной подачи в зону горения электрической дуги неплавящегося вольфрамового электрода двух разнородных проволок сплошного сечения на основе железа (Св-08Г2С) и алюминия (АК12).
Качественно-количественный химический и полуколичественный фазовый анализы, а также измерения твёрдости полученной наплавки свидетельствуют о получении искомого сплава на основе интерметаллида Fe3Al.
Однако, визуальный анализ микрошлифов свидетельствует о серьёзных
дефектах в виде многочисленных трещин. Помимо этого, по данным результатов элементного анализа различных областей микрошлифов, имеется достаточно сильная анизотропия химического состава по всему наплавленному объёму, что даёт веский повод к дальнейшей работе над совершенствованием технологии процесса, а также совершенствованием режимов и условий его проведения.
Таким образом, поставленная цель текущей работы была достигнута, а
все сопутствующие задачи успешно решены.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
