1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 45, № 4, 2019

Физика и химия стекла, 2019, T. 45, № 4, стр. 397-400

О температуре плавления AlMgB14

Д. Д. Несмелов 1, *, С. Н. Перевислов 2, Д. П. Данилович 1, Н. А. Христюк 1, С. С. Орданьян 1

1 Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (Технический университет)
190013 Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Россия

2 Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2, Россия

* E-mail: dnesmelov@yandex.ru

Поступила в редакцию 22.03.18
После доработки 04.03.19
Принята к публикации 04.04.19

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе экспериментально оценена температура плавления (разложения) борида алюминия-магния AlMgB14, содержащего примесь алюмо-магниевой шпинели (5.5 мас. %). Плавление сопровождается выделением газовой фазы. Установлено, что плавление с разложением происходит в интервале температур (2400–2573) ± 30 K. Частичная потеря Mg наблюдается уже при 2073 K. Исследованы структура и элементный состав закристаллизованных объектов.

Ключевые слова: борид алюминия-магния, температура плавления, инконгруэнтное плавление, конгруэнтное плавление

ВВЕДЕНИЕ

В технологии сверхтвердых износостойких материалов и покрытий на основе борида алюминия-магния одним из важнейших параметров является температура плавления AlMgB14. В работах, посвященных фазовым равновесиям в системе Al–Mg–B и термодинамическим свойствам AlMgB14 [1, 2] сведений о температуре и характере плавления AlMgB14 не содержится. Косвенно о конгруэнтном характере плавления/испарения AlMgB14 говорят результаты экспериментов по магнетронному распылению и импульсному лазерному осаждению с использованием в качестве источника (мишени) AlMgB14. Получены рентгеноаморфные покрытия состава Al : Mg : B = 1 : 1 : 14 [3] и покрытия, которые содержали кристаллический AlMgB14 [4, 5].

В первом приближении прогноз характера плавления AlMgB14 можно сделать, анализируя сведения о плавлении его структурного аналога Mg2B14. Оба соединения имеют орторомбическую кристаллическую решетку с близкими значениями параметров элементарной ячейки: a = 0.5845, b = 0.8114 и c = 1.0330 нм у AlMgB14 [6] и a = 0.5970, b = 0.8125 и c = 1.0480 нм у Mg2B14 [7]. Согласно данным [8], уточненным с помощью методики CALPHAD, Mg2B14 разлагается по реакции:

${\text{M}}{{{\text{g}}}_{2}}{{{\text{B}}}_{{14}}}({\text{S}}){\text{ }} \to {\text{ }}2{\text{Mg}}({\text{G}}){\text{ }} + {\text{ }}14{\text{B}}({\text{L}})$
при давлении 1 атм и Т = 2782 K. Можно предположить инконгруэнтный характер плавления AlMgB14 при сопоставимых температурах.

В связи с изложенным, представляет интерес экспериментальная оценка температуры и установление характера плавления AlMgB14.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

AlMgB14 получали прямым взаимодействием элементарных Al (99%), Mg (99%) и B (99%) в вакууме ~10–2 Па с изотермической выдержкой 1 ч при 1300°С. Полученный порошок содержал 5.5 мас. % MgAl2O4. Объектом настоящего исследования была двухфазная система AlMgB14–5 мас. % MgAl2O4. Из порошка AlMgB14 одноосным прессованием на гидравлическом прессе получали заготовки в форме балочек 3 × 3 × 30 мм, которые затем спекали в печи сопротивления СШВЭ при 1600°С в течение 1 ч. Определение температуры плавления образцов проводили в среде аргона при давление 1 атм с использованием метода “капли” [11 ] . Скорость нагревания составляла 300 K/мин. Температуру образца определяли микропирометром ЛМП-14 с погрешностью ±30 K. Анализ микроструктуры закристаллизованных объектов проводили с помощью РЭМ Tescan Vega 3SBH. Микрорентгеноспектральный анализ элементного состава образцов осуществляли с помощью рентгеновского энергодисперсионного микроанализатора Aztec Energy Advanced (Oxford Instruments).

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При температурах 2073–2400 K видимых изменений формы и поверхности образцов не наблюдали (рис. 1а). При температурах, близких к плавлению шпинели (~2400 K) отмечена интенсивная усадка. Концентрация Mg постепенно снижалась: с 11 мас. % в исходном образце до 9% при 2073 K и 4% при 2400 K.

Рис. 1.

Образцы после нагревания до температуры, K: 2373 (а); 2523 (б) и 2573 (в).

В интервале температур 2503–2523 K отмечалось снижение яркости свечения отдельных микро-участков образца (признак фазового перехода с поглощением тепла), деформация, выделение газовой фазы и образование пор (рис. 1б). При дальнейшем повышении температуры до 2573 K происходило интенсивное выделение газовой фазы с образованием крупных канальных пор и сильная деформация образца (рис. 1в). Содержание Mg снизилось до следовых количеств, Al – с 14 мас. % в исходном составе до 5% при 2503 K и 0.2% при 2573. Фактически, состав образца после нагревания до 2573 K представлен элементарным B, что указывает на инконгруэнтное плавление системы AlMgB14–MgAl2O4 в интервале (2400–2573) ± 30 K.

Микроструктура исходных образцов (рис. 2а) претерпевает сильные изменения после воздействия температур выше 2503 K (рис. 2б–г).

Рис. 2.

Структура образцов спеченного при 1873 K (а); после нагревания до 2523 K (б, в); после нагревания до 2573 K (г).

На рис. 2б наблюдаются крупные (5–50 мкм) зерна с выраженной огранкой, объединенные широкими (до 50 мкм) перешейками в единый трехмерный каркас. Зерна содержат следы разложения – поры, проявление слоистой структуры в объеме зерна (рис. 2в). Преимущественное разложение боридной фазы в объеме зерен (рис. 2г) может быть связано с наличием на их поверхности пленки расплава MgAl2O4. Плавление и частичное испарение шпинели сопровождается поглощением тепла, вследствие чего поверхность зерен боридной фазы оказывается холоднее, чем объем. Наличие пленки MgAl2O4 может препятствовать удалению газообразных продуктов разложения боридной фазы из поверхностных слоев. Установленный в работе инконгруэнтный характер плавления не согласуется с данными [3–5], согласно которым испарение и последующая конденсация AlMgB14 происходят без изменения фазового состава. Учитывая существенные (на порядки) различия в процессах “импульсного” испарения при нанесении покрытий и “медленного” механизма инконгруэнтного плавления, можно считать, что данные [3, 5] не вступают в прямое противоречие с результатами настоящей работы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-03-00863\18_а с использованием оборудования инжинирингового центра СПбГТИ(ТУ).

Список литературы

  1. Raghavan V. Al–B–Mg (Aluminum-Boron-Magnesium) // J. phase equilibria and diffusion. 2010. T. 31. № 3. C. 272–273.

  2. Bodkin R., Herrmann M., Coville N. J., Sigalas I. A study of the Al–Mg–B ternary phase diagram // International J. Materials Research. 2009. T. 100. № 5. C. 663–666.

  3. Wu Z., Bai Y., Qu W., Wu A. Al–Mg–B thin films prepared by magnetron sputtering // Vacuum. 2010. T. 85. № 4. C. 541–545.

  4. Tian Y., Constant A., Lo C.C., Anderegg J.W. Microstructure evolution of Al–Mg–B thin films by thermal annealing // J. Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2003. T. 21. № 4. C. 1055–1063.

  5. Liu W., Meng Q.S., Miao Y., Chen F.H. Preparation and characterization of Al–Mg–B thin films by magnetron sputtering // Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, 2012. T. 465. C. 112–117.

  6. Okada S., Kudou K., Mori T., Shishido T. Crystal Growth of Aluminum Magnesium Borides from Al–Mg–B Ternary System Solutions and Properties of the Crystals // Materials Science Forum. Trans Tech Publications, 2004. T. 449. C. 365–368.

  7. Guette A., Barret M., Naslain R., Hagenmuller P. Crystal structure of magnesium heptaboride Mg2B14 // J. Less Common Metals. 1981. T. 82. C. 325–334.

  8. Kim S., Stone D.S., Cho J.I., Jeong C.Y. Phase stability determination of the Mg–B binary system using the CALPHAD method and ab initio calculations // J. Alloys and Compounds. 2009. T. 470. № 1–2. C. 85–89.

  9. Peters J.S., Hill J.M., Russell A.M. Direct reaction synthesis of Mg2B14 from elemental precursors // Scripta materialia. 2006. T. 54. № 5. C. 813–816.

  10. Nesmelov D.D., Ordan’yan S.S. Eutectics in heterogeneous systems of high-melting carbides and borides // International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry in Russia (RTAC-2016) (September 16–23, 2016, St. Petersburg, Russia): Proceedings – St. Petersburg, SPbPU Publisher, 2016. T. II. C. 265–269.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал