Поверхностные свойства оксидно-фторидных соединений, образующихся при алюминотермическом синтезе высокоэнтропийных сплавов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В данной работе проведено термодинамическое моделирование и экспериментальное исследование оксидно–фторидной фазы, образующейся при получении высокоэнтропийных тугоплавких, легковесных сплавов системы Al–Ti–Zr–V–Nb методом совместного алюминотермического восстановления из оксидов металлов титана, циркония, ниобия и ванадия. Целью работы было определение оптимальных условий получения таких сплавов и нахождение характеристик фазового разделения. Моделирование показало, что для формирования легковесного и тугоплавкого сплава необходимы температуры не ниже 1600°C и содержание алюминия в диапазоне от 15 до 40 атомных процентов. При этом рекомендуется использовать небольшой избыток алюминия в шихте, чтобы обеспечить переход части алюминия в металлическую фазу. Расчёты поверхностного натяжения и плотности показали значительное различие между металлической и оксидно-фторидной фазами, что способствует оседанию металлического расплава на дно тигля и формированию чёткой границы разделения между двумя фазами. Межфазное натяжение в интервале 1000–1600 мДж/м² обеспечивает минимальное смачивание металлом шлака и снижает количество неметаллических включений в металле, что положительно влияет на качество конечного продукта. Отмечено, что увеличение числа компонентов в расплаве усложняет подбор эмпирических коэффициентов, что ограничивает точность расчета эмпирическим методом. Химический анализ оксидно–фторидной фазы после эксперимента подтвердил наличие в ней оксидов циркония и титана, которые повышают поверхностное натяжение и плотность по сравнению с расчётными значениями. Тем не менее, эти параметры остаются ниже соответствующих значений металлической фазы, что обеспечивает эффективное разделение фаз и формирование цельного металлического слитка без чрезмерного сцепления с оксидно-фторидной фазой. Полученные результаты демонстрируют перспективность выбранных условий для производства высококачественных высокоэнтропийных сплавов и могут быть использованы для дальнейших оценочных расчётов и оптимизации технологических процессов.

Об авторах

А. С. Русских

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения Российской академии наук

Email: russkih_A_S@mail.ru
г. Екатеринбург, Россия

Е. М. Жилина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения Российской академии наук

Email: russkih_A_S@mail.ru
г. Екатеринбург, Россия

Т. В. Осинкина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: russkih_A_S@mail.ru
г. Екатеринбург, Россия

Список литературы

  1. Филатов А.А. и др. Способ получения лигатуры AlZr15 из оксидов // Уральская школа молодых металловедов : материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов – молодых ученых, Екатеринбург, 21–23 октября 2017 года / Ответственный редактор: А. А. Попов; Министерство образования и науки. 2017. P. 384–388.
  2. Zhilina E.M., Krasikov S.A. Surface tension of a titanium-containing oxide–fluoride melt calculated by the polymer theory // Russ. Metall. Maik Nauka-Interperiodica Publishing. 2017.2017. № 8. P. 642–643.
  3. Tyushnyakov S.N. et al. Metallothermic Reduction of Natural Cassiterite // Metallurgist. 2021.65. № 7–8. P. 746–759.
  4. Mityushova Y.A. et al. Thermodynamic Estimation of the Formation of a High-Entropy Al–Nb–Ti–V–Zr Alloy // Russ. Metall. 2021.2021. № 2. P. 187–191.
  5. Zhilina E.M. et al. Possibility of obtaining refractory high-entropy AlTiZrVNb alloys from metal oxides // Russ. Chem. Bull. Springer, 2023.72. № 4. P. 895–901.
  6. Ikornikov D.M. et al. Effect of Doping with Si–B on the Structure of Cast Mo–Nb–Cr–V–Ti–Al High-Entropy Alloy Produced by Gravity-Assisted SHS Metallurgy // Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synth. Pleiades Publishing, 2024.33. № 4. P. 330–335.
  7. Kirakosyan H. et al. The preparation of high-entropy refractory alloys by aluminothermic reduction process // AIP Conf. Proc. American Institute of Physics Inc., 2024.2989. № 1.
  8. Kaya F. et al. Thermochemical Modeling-Assisted Synthesis of AlxCoCrFeNiMn (0.5 ≤ x ≤ 3) High-Entropy Alloys via Combustion Method for Soft Magnetic Applications // Mining, Metall. Explor. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2025.42. № 2. P. 465–477.
  9. Li R.X., Liaw P.K., Zhang Y. Synthesis of AlxCoCrFeNi high-entropy alloys by high-gravity combustion from oxides // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier, 2017.707. P. 668–673.
  10. HSC Chemistry for Windows – Chemical Reaction and Equilibrium Software with extensive Thermochemical Database, product of Outokumpu Research, Oy, Pori, Finland [Electronic resource]. URL: www.outotec.com/hsc. Загл. с экрана.
  11. Balakirev V.F. et al. Joint Metallothermic Reduction of Titanium and Rare Refractory Metals of Group V // Russ. J. Non-Ferrous Met. Pleiades journals, 2021.62. № 2. P. 190–196.
  12. Арсентьев П.П. и др. Экспериментальные работы по теории металлургических процессов. М.: Металл. 1989. 288 p.
  13. Мурач Н.Н. Алюминотермия титана. М.: ЦИИНцв. 1958. 51 p.
  14. Allibert M. et al. Slag Atlas // Slag Atlas. 1995. P. 616.
  15. Hara S., Ogino K. Density of CaF2-CaO-Al203 melts for electroslag remelting // Can. Metall. Q. 1981. 20. № 1. P. 113–116.
  16. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин. А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. Москва: Металлургия, 1987. 272 p.
  17. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. Москва: Наука., 1979. 256 p.
  18. Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства. М.: Металл. 1976. 376 p.
  19. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металл. 1994. 440 p.
  20. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов. М.: Металл. 1986. 463 p.
  21. Попель С.И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ. 1971. 132 p.
  22. Novakovic R. et al. Surface, dynamic and structural properties of liquid Al – Ti alloys // Appl. Surf. Sci. 2012.258. P. 3269–3275.
  23. Kotenkov P.V., Cherepanova L.A., Sterkhov E.V. Thermal and Structural Stability of the TiZrHfNbTa Solid Solution // Russ. Metall. Pleiades Publishing, 2024.2024. № 4. P. 834–840.
  24. Xin J. et al. Surface tension calculation of molten slag in SiO2–Al2O3–CaO–MgO systems based on a statistical modelling approach // ISIJ Int. 2019.59. № 5. P. 759–767.
  25. Nakajima K. Estimation of surface tension for multicomponent silicate melts // Tetsu-to-Hagané. 1994.80. № 8. P. 599–604.
  26. Filatov A.A. i dr. Sposob polucheniya ligatury AlZr15 iz oksidov // Ural’skaya shkola molodyh metallovedov : materialy XVIII Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj Ural’skoj shkoly-seminara metallovedov – molodyh uchenyh, Ekaterinburg, 21–23 oktyabrya 2017 goda / Otvetstvennyj redaktor: A. A. Popov; Ministerstvo obrazovaniya i nauki. 2017. P. 384–388. [In Russian].
  27. Zhilina E.M., Krasikov S.A. Surface tension of a titanium-containing oxide–fluoride melt calculated by the polymer theory // Russ. Metall. Maik Nauka-Interperiodica Publishing, 2017.2017.№ 8. P. 642–643.
  28. Tyushnyakov S.N. et al. Metallothermic Reduction of Natural Cassiterite // Metallurgist. 2021.65.№ 7–8. P. 746–759.
  29. Mityushova Y.A. et al. Thermodynamic Estimation of the Formation of a High-Entropy Al–Nb–Ti–V–Zr Alloy // Russ. Metall. 2021.2021.№ 2. P. 187–191.
  30. Zhilina E.M. et al. Possibility of obtaining refractory high-entropy AlTiZrVNb alloys from metal oxides // Russ. Chem. Bull. Springer, 2023.72.№ 4. P. 895–901.
  31. Ikornikov D.M. et al. Effect of Doping with Si–B on the Structure of Cast Mo–Nb–Cr–V–Ti–AlHigh-Entropy Alloy Produced by Gravity-Assisted SHS Metallurgy // Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synth. Pleiades Publishing, 2024.33.№ 4. P. 330–335.
  32. Kirakosyan H. et al. The preparation of high-entropy refractory alloys by aluminothermic reduction process // AIP Conf. Proc. American Institute of Physics Inc., 2024.2989.№ 1.
  33. Kaya F. et al. Thermochemical Modeling-Assisted Synthesis of AlxCoCrFeNiMn (0.5 ≤ x ≤ 3) High-Entropy Alloys via Combustion Method for Soft Magnetic Applications // Mining, Metall. Explor. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2025.42.№ 2. P. 465–477.
  34. Li R.X., Liaw P.K., Zhang Y. Synthesis of AlxCoCrFeNi high-entropy alloys by high-gravity combustion from oxides // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier, 2017.707. P. 668–673.
  35. HSC Chemistry for Windows – Chemical Reaction and Equilibrium Software with extensive Thermochemical Database, product of Outokumpu Research, Oy, Pori, Finland [Electronic resource]. URL: www.outotec.com/hsc. Zagl. s ekrana.
  36. Balakirev V.F. et al. Joint Metallothermic Reduction of Titanium and Rare Refractory Metals of Group V // Russ. J. Non-Ferrous Met. Pleiades journals, 2021.62.№ 2. P. 190–196.
  37. Arsent’ev P.P. i dr. Eksperimental’nye raboty po teorii metallurgicheskih processov. M.: Metall. 1989. 288 p. [In Russian].
  38. Murach N.N. Alyuminotermiya titana. M.: CIINcv.1958. 51 p.
  39. Allibert M. et al.Slag Atlas // Slag Atlas. 1995. P. 616.
  40. Hara S., Ogino K. Density of CaF2-CaO-Al203 melts for electroslag remelting // Can. Metall. Q. 1981. 20. № 1. P. 113–116.
  41. Grigoryan V.A., Belyanchikov L.N., Stomahin. A.YA. Teoreticheskie osnovy elektrostaleplavil’nyh processov. Moskva: Metallurgiya, 1987. 272 p. [In Russian].
  42. Linchevskij B.V. Tekhnika metallurgicheskogo eksperimenta. Moskva: Nauka., 1979. 256 p.[In Russian].
  43. Arsent’ev P.P., Koledov L.A. Metallicheskie rasplavy i ih svojstva. M.: Metall. 1976. 376 p. [In Russian].
  44. Popel’ S.I. Poverhnostnye yavleniya v rasplavah. M.: Metall. 1994. 440 p. [In Russian].
  45. Popel’ S.I., Sotnikov A.I., Boronenkov V.N. Teoriya metallurgicheskih processov: uchebnoe posobie dlya vuzov. M.: Metall. 1986. 463 p. [In Russian].
  46. Popel’ S.I. Teoriya metallurgicheskih processov.M.: VINITI. 1971. 132 p.
  47. Novakovic R. et al.Surface, dynamic and structural properties of liquid Al – Ti alloys // Appl. Surf. Sci. 2012.258. P. 3269–3275.
  48. Kotenkov P.V., Cherepanova L.A., Sterkhov E.V. Thermal and Structural Stability of the TiZrHfNbTa Solid Solution // Russ. Metall. Pleiades Publishing, 2024.2024.№ 4. P. 834–840.
  49. Xin J. et al. Surface tension calculation of molten slag in SiO2–Al2O3–CaO–MgO systems based on a statistical modelling approach // ISIJ Int. 2019.59.№ 5. P. 759–767.
  50. Nakajima K. Estimation of surface tension for multicomponent silicate melts // Tetsu-to-Hagané. 1994.80.№ 8. P. 599–604.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».