dokrorat Stan-Głowińska

Katarzyna Stan-Głowińska

Streszczenie

Przedmiotem badań prowadzonych w ramach pracy doktorskiej były stopy aluminium z układu Al-TM (TM — metal przejściowy) o strukturze składającej się z mikro lub nano- cząstek kwazikrystalicznych stanowiących fazę umacniającą, umieszczonych w osnowie roztworu stałego aluminium. Faza kwazikrystaliczna ze względu na swoją budowę wewnętrzną ma niezwykłe własności, między innymi wysoką twardość oraz bardzo dobrą odporność na ścieranie. Drobne cząstki tej fazy w połączeniu z miękką, plastyczną osnową pozwalają uzyskać korzystne własności mechaniczne stopu, w tym bardzo dużą wytrzymałości na rozciąganie, przekraczającą 1000 MPa oraz wysoką twardość. 

Wyjściowym materiałem do badań był stop Al9iMn7Fe2 otrzymany metodą szybkiej krystalizacji na wirujący walec (melt spinning), wykazujący bardzo dobre własności mechaniczne (wytrzymałość na zerwanie 1250 MPa). lkozaedryczna faza kwazikrystaliczna występująca w tym stopie jest fazą metastabilną i podczas wygrzewania, w temperaturze około 623 K (350 °C), ulega przemianie w stabilną fazę krystaliczną. Powstająca faza międzymetaliczna cechuje się niższymi parametrami mechanicznymi, nieregularną morfologią oraz dużą kruchością, co z kolei powoduje spadek własności mechanicznych materiału. Prowadzone badania miały na celu zwiększenie stabilności termicznej fazy kwazikrystalicznej w badanym stopie poprzez wprowadzanie niewielkiej ilości dodatków stopowych z grupy metali przejściowych o niskim współczynniku dyfuzji w aluminium (Zr, Hf, Cr, Ti, Mo, W oraz V). Podwyższona stabilność fazy kwazikrystalicznej umożliwia zachowanie własności mechanicznych stopu w podwyższonej temperaturze, jak również przejście od materiału modelowego, jakim są szybko chłodzone taśmy o grubości 20-60 gm, do materiału masywnego otrzymanego poprzez prasowanie na gorąco rozdrobnionych taśm.

Prowadzone prace polegały na wytworzeniu nowych stopów wieloskładnikowych na bazie Al91Mn7Fe2 za pomocą szybkiej krystalizacji oraz przeprowadzenie charakterystyki ich mikrostruktury i własności. Otrzymane taśmy zostały scharakteryzowane pod względem własności mechanicznych (analiza termomechaniczna, badania mikrotwardości), mikrostruktury (skład fazowy wraz z analizą chemiczną metodami skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej oraz dyfrakcji rentgenowskiej), stabilności termicznej (skaningowa kalorymetria różnicowa). Uzyskane wyniki pozwoliły na określenie wpływu dodatków stopowych na morfologię i rozmiar cząstek kwazikryształu, jednorodność rozmieszczenia oraz ich udział objętościowy w stopie. Ponadto wyznaczono temperaturę przemiany fazy kwazikrystalicznej w fazę krystaliczną w powiązaniu ze zmianami własności mechanicznych. Po wyselekcjonowaniu najbardziej efektywnych dodatków (mających korzystny wpływ na własności mechaniczne stopu oraz znacząco podwyższające stabilność termiczną umacniającej fazy kwazikrystalicznej} wytworzono materiały w formie masywnej poprzez sprasowanie rozdrobnionych taśm. 

Na podstawie otrzymanych wyników sformułowano następując wnioski: 

- W szybkochłodzonym stopie AlglMn-;Feg uzyskano strukturę dwufazową składającą się z ikozaedrycznych cząstek kwazikrystalicznych i roztworu stałego aluminium. Wysokie wartości otrzymanej mikrotwardości (do 340 HV) wynikają zarówno z rozdrobnienia cząstek kwazikrystalicznych (których udział w materiale wynosi około 50 %) jak również z ich dobrego połączenia z osnową potwierdzonego obecnością relacji krystalograflcznych pomiędzy obiema fazami. 

Metastabiina faza ikozaedryczna powstała w szybko chłodzonych taśmach ulega przemianie w krystaliczną fazę Al5(Mn, Fe) o strukturze rombowej, która tworzy warstwę na granicy faz kwazikryształ/osnowa podczas wygrzewania w temperaturze 673 K (400 °C). Rozpad fazy kwazikrystalicznej prowadzi do zmiany w-łasności mechanicznych: spadku mikrotwardości i dużej kruchości. 

- W taśmach czteroskładnikowych AlmMnóFegx] podstawienie manganu (l %at.) pierwiastkami: Zr, Hf, Cr, Ti, Mo, W lub V nie wpływa znacząco na zmianę składu fazowego próbek. Dodatki stopowe są głównie rozpuszczone w fazie ikozaedrycznej, z wyjątkiem Zr i Hf, które znajdują się głównie w osnowie tworząc roztwór stały z aluminium lub drobne wydzielenia typu AI3X (w przypadku Zr wydzielenia o strukturze Llg-AlgZr) powodując dodatkowe umocnienie materiału zarówno w stanie po odlaniu jaki po wygrzewaniu.

- Największe przesunięcie piku egzotermicznego związanego z przemianą fazy kwazikrystalicznej w stabilną fazę krystaliczną (od 70 do 90 K) zaobserwowano dla próbek zawierających Mo, W oraz V. Pierwiastki tc charakteryzują się najniższym współczynnikiem dyfuzji w aluminium wśród zastosowanych dodatków. Przemiana fazy kwazikrystalicznej, podobnie jak w przypadku taśm trójskładnikowych, rozpoczyna sie na granicy kwazikryształ/osnowa i jest kontrolowana poprzez dyfuzję manganu oraz żelaza.

- Obniżona zawartość manganu w taśmach o składzie Al94MH4FC1MO] powoduje zmniejszenie udziału fazy kwazikrystalicznej powstałej podczas szybkiego krzepnięcia do około 10-15%, co prowadzi do spadku twardości, ajednocześnie do poprawy plastyczności wytworzonych taśm.

- Wprowadzenie do stopu AlglMmFeg dodatku Mo i Zr prowadzi do zachowania pozytywnego wpływu obu pierwiastków na własności taśm. Twardość taśmy o składzie Ai9]Mn5FB]MO]ZT] wzrasta w porównania do taśmy AIQiMnÓFĆZMOh podczas gdy temperatura rozpadu fazy ikozaedrycznej nieznacznie spada, lecz jest znacznie wyższa niż w przypadku stopu trójskładnikowego.

- Próbki masywne zostały wytworzone poprzez prasowanie na gorąco rozdrobnionych taśm o składzie AlglMmFeg, AlmMnńFezMol oraz Ai9[Mn6Fe]Mo]Zr1. Faza kwazikrystaliczna pozostaje częściowo zachowana w obu próbkach zawierających dodatek molibdenu, podczas gdy w próbce o wyjściowym składzie potrójnym zachodzi jej całkowita przemiana w fazę krystaliczną. Próbka zawierająca dodatek Mo i Zr posiada najwyższą mikrotwardość (około 430 HV) związaną z dodatkową obecnością wydzieleń fazy Al3Zr. Maksymalna wytrzymałość na ściskanie zmierzona dla wszystkich próbek wyniosła powyżej 1000 MPa.

 - Na podstawie otrzymanych wyników badań udowodniono, że dodatek pierwiastków stopowych charakteryzujących się niskim współczynnikiem dyfuzji w aluminium prowadzi do poprawy stabilności tennicznej fazy kwazikrystalicznej w stopach z układu Al-Mn-Fe. To z kolei umożliwia wytworzenie masywnych próbek o mikrostrukturze zbliżonej do mikrostruktury wyjściowych taśm i korzystnych własnościach mechanicznych.

Download