Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 6, стр. 109-112

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы алюминий–медь (дюралюминий, алюминиевые бронзы) широко применяются в промышленности при изготовлении емкостей для жидкого кислорода и водорода, в авиапромышленности для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей и в электротехнике [1]. В литературе имеется достаточно много сведений о теплофизических свойствах системы Cu–Al, однако многие из этих данных не согласуются друг с другом [1–9]. Данные о поверхностных свойствах расплавов Cu–Al необходимы при разработке высокотемпературных припоев для пайки титана, нержавеющих сталей, твердых сплавов [2, 3].

Поверхностное натяжение и свойства сплавов Cu–Al зависят от предварительной термовакуумной обработки, типа материала (чашечки или капилляра), контактирующего с жидким расплавом, типа примесей в алюминии, наличия кислорода в газовой среде, соприкасающейся с расплавом. Обычно измерения поверхностного натяжения проводят методом максимального давления в газовом пузырьке или методом лежащей капли. При погружении капилляра в расплавы с высоким напряжением внешней поверхности, но малой плотностью, к которым относятся алюминиевые сплавы, возможны неконтролируемые ошибки измерений, обусловленные изменением высоты уровня вследствие образования пузырьков и изменением искривления внешней поверхности расплава. Поэтому более предпочтительны методы лежащей и большой капли [3]. Предпринимаются также разработки новых методов измерения плотности расплавов [7, 10, 11]: метод проникающего гамма-излучения [7], а также метод высокотемпературной денситометрии, метод левитирующей капли [12], способ определения поверхностного натяжения жидкости, находящейся во взвешенном состоянии [13].

Плотность и поверхностное натяжение лежащей капли обычно измеряют традиционными методами обмера капли. Однако в последнее время при обработке контура капли начали использовать современные информационные технологии [14, 15], которые применяются в настоящей работе.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные данные были получены с использованием высокотемпературной вакуумной установки (вакуум 10^–2 Па) с водоохлаждаемым корпусом из нержавеющей стали методом большой капли в атмосфере гелия марки А. Фотографии профиля исследуемой капли были получены с помощью цифрового фотоаппарата. Контур капли обрабатывали с помощью программного комплекса ImageJ, базирующегося на численном интегрировании уравнения Юнга–Лапласа [14], который состоит из трех блоков: блок, связанный с введением в ПЭВМ изображения капли расплава; вычислительный блок; блок проведения оценок. Погрешность измерения угла смачивания 1%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Политермы плотности показаны на рис. 1. Плотность расплава Al–Cu всех представленных концентраций линейно уменьшается с температурой. С повышением концентрации меди плотность повышается. Результаты хорошо согласуются с имеющимися литературными данными. Количественно они лежат выше данных [16], а также данных, полученных методом лежащей капли, и данных [7], приведенных в виде уравнения:

где ρ = 2373 кг/м³, при температуре плавления 661°С температурный коэффициент плотности α = 12.4 × 10^–5.

На рис. 2 представлены политермы поверхностного натяжения, из которых видно, что с увеличением добавки меди поверхностное натяжение сплава растет, что хорошо согласуется с литературными данными. Все политермы имеют отрицательный температурный коэффициент, погрешность измерения составила 2%.

Данные об алюминии согласуются с политермой поверхностного натяжения в [4], где для чистого алюминия получено уравнение:

В табл. 1 приведены уравнения политерм плотности и поверхностного натяжения системы Al–Cu разных концентраций, найденные методом наименьших квадратов.

Политермы углов смачивания показаны на рис. 3–5. Из рис. 3 следует, что расплав Al–Cu(39 ат. %) смачивает подложки Ni–Cr и Co–Cr, нержавеющей стали 25Х18Н9С2 и Ti. На подложке Ni–C смачивание происходит при Т ~ 1100 К, порог смачивания подложки Co–Cr данным расплавом наблюдается при Т ~ 1030 К.

Расплав Al–Cu эвтектического состава при Т ~ ~ 1190 К полностью растекается на всех изученных подложках (рис. 4). При смачивании подложек из Ni–Cr и титана расплавом Al–Cu(50 ат. %) на политермах выявлен порог смачивания при 925 и 1025 К соответственно. Из рис. 5 видно, что расплав полностью растекается на всех изученных подложках. Смачивание происходит в интервале температур от 920 до 1020 К.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом большой капли с использованием новых информационных технологий при обработке контура капли измерены плотность и поверхностное натяжение расплавов Al–Cu различной концентрации в широкой области температур в вакууме 0.01 Па. Плотность и поверхностное натяжение изученных расплавов повышаются с концентрацией Cu в расплаве, а температурная зависимость характеризуется отрицательным температурным коэффициентом.

Исследования смачивания металлических подложек Ni–Cr, Co–Cr, стали 25Х18Н9С2 расплавом Al–Cu различной концентрации показали, что эти расплавы смачивают подложки и существует порог смачивания.