PHASE FORMATION DURING ALUMINOTHERMAL REDUCTION OF Ti, Nb, Gd (Y) FROM OXIDES

T. V. Osinkina; Осинкина Т. В.; E. M. Zhilina; Жилина Е. М.; S. A. Krasikov; Красиков С. А.; Русских А. С.; L. B. Vedmid’; Ведмидь Л. Б.; E. A. Vyaznikova; Вязникова Е. А.

doi:10.31857/S0235010623020093

Фазообразование при алюминотермическом восстановлении Ti, Nb, Gd (Y) из оксидов

Авторы: Осинкина Т.В.¹, Жилина Е.М.¹, Красиков С.А.¹^,2, Русских А.С.¹, Ведмидь Л.Б.¹, Вязникова Е.А.¹
Учреждения:
1. Институт металлургии УрО РАН
2. Уральский государственный горный университет
Выпуск: № 2 (2023)
Страницы: 133-143
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0235-0106/article/view/138583
DOI: https://doi.org/10.31857/S0235010623020093
EDN: https://elibrary.ru/MHQWBS
ID: 138583

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Сплавы на основе титана и алюминия с добавками ниобия и редкоземельных металлов (РЗМ) обладают уникальными механическими и жаропрочными свойствами, также вероятна повышенная коррозионная стойкость таких сплавов. Методом термодинамического моделирования с использованием программы HSC изучена система с расходом алюминия, варьирующимся в интервале от 0 до 100% к массе исходной шихты. Исследованы особенности фазообразования в системах Al–[50TiO₂–5Nb₂O₅–1Y₂O₃ (Gd₂O₃)]. Расчет теплового баланса процесса при 1600°C и расходе 44% Al составил – 0.196 МДж на 1 кг шихты, что указывает на возможность его протекания только за счет реализации алюминотермических реакций. Восстановление титана и ниобия может протекать по реакциям через образование их оксидов низшей валентности – TiO, NbO₂, NbO. Алюминотермическое восстановление гадолиния термодинамически возможно только при температурах менее 1200°C. Восстановление иттрия через взаимодействие Y₂O₃ с алюминием c образованием соединений AlY, Al₂Y₃ AlY₂ для интервала 1000–1800°C термодинамически невозможно. Результаты термодинамического моделирования взаимодействий хорошо коррелировали с данными дифференциально-термического и рентгенофазового анализов при использовании синхронного термического анализа, выполненного с помощью прибора STA 449 F3 Jupiter (NETZSCH) и дифрактометра XRD-7000 (Shimadzu) с автоматическим программным управлением, соответственно. Найдено, что процесс вступает в активную фазу после появления жидкого алюминия и, видимо, сопровождается экзотермическими эффектами с образованием двойных и тройных интерметаллических соединений алюминия с редкими (Nb, Ti) и редкоземельными (Gd, Y) металлами. Трансформация диоксида титана и пентаоксида ниобия в процессе превращений, вероятно, осуществляется через последовательные и параллельные стадии образования простых и сложных оксидов с низкими степенями окисления. На начальных этапах взаимодействия алюминия с оксидами, в основном, образуются алюминиды ниобия и титана. На последующих стадиях наблюдается формирование более сложных соединений. При температурах выше 1300°C образуются тройные интерметаллические соединения Al₄₃Nb₄Gd₆, Ti₄Al₂₀Gd и Ti₄Al₃Y₆, Al₃Ti, Al_0.23Nb_0.07Ti_0.7. Гадолиний и иттрий в таких системах склонны к образованию сложных интерметаллидов.

Ключевые слова

фазообразование, алюминотермическое восстановление, интерметаллические соединения, алюминотермия

Список литературы

Toshimitsu T. // Intermetallics. 2002. 10. № 3. P. 239–245. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(01)00121-2
Zixiang L., Baohua C., Yinan C. et al. // Materials & Design. 2022. 215. P. 110509. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110509
Li W., Inkson B., Horita Z., Xia K. // Intermetallics. 2000. 8. № 5–6. P. 519–523. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(99)00156-9
Zhilina E.M., Russkikh A.S., Krasikov S.A. et al. Synthesis of high-entropy alloy AlTiZrVNb by aluminothermic reaction // Russian J. Inorganic Chemistry. 2022. 67. № 6. P. 888–891.
Balakirev V.F., Osinkina T.V., Krasikov S.A., Zhilina E.M., Vedmid’ L.B., Zhidovinova S.V. // Russian J. Non-Ferrous Metals. 2021. 62. № 2. P. 190–196. https://doi.org/10.3103/S1067821221020024
Egry I., Brooks R., Holland-Moritz D., Novakovich R., Matsushita T., Ricci E., Seetharaman S., Wunderlich R., Jarvis D. Thermophysical properties of γ-titanium aluminide: the European impress project // Int. J. Thermophys. 2007. № 28. P. 1026–1036.
Novakovic R., Giuranno D., Ricci E., Tuissi A., Wunderlich R., Fecht H.-J., Egry I. Surface, dynamic and structural properties of liquid Al-Ti alloys // Applied Surface Science. 2012. № 258. P. 3269–3275.
Asta M. De Fontaine D., Van Schilfgaarde M. First-principles study of phase stability of Ti–Al intermetallic compounds // J. Materials Research. 1993. 8. P. 2554.
Boehlert C. J. Part III. The tensile behavior of Ti–Al–Nb O + Bcc orthorhombic alloys // Metal. Trans. A. 2001. 32A. P. 1977–1988.
Popille F., Douin J. The dislocation microstructure in orthorhombic O Ti2AlNb deformed between room temperature and 800°C // Phil. Mag. A. 1996. 73. № 5. P. 1401–1418.
Zhou Ch., Xu H., Kim K.Y. The influence of additions of Nb and Cr on the aluminizing behavior of TiAl alloy // Met. Mater. Trans. A. 2000. 31A. № 10. P. 2391–2394.
Chen W., Li J.W., Xu L., Lu B. Development of Ti2AlNb alloys: opportunities and challenges // Advanced Materials & Processes. 2014. P. 24–27.
Peng J., Li S., Mao Y., Sun X., Phase transformation and microstructures in Ti–Al–Nb–Ta system // Materials Letters. 2002. № 53. P. 57–62.
Ye L.-H., Wang H., Zhou G., Hu Q.-M., Yang R. // J. Alloys Compd. 2020, 819. P. 153291. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153291
Сергеева С.В., Гуляева Р.И., Удоева Л.Ю., Петрова С.А., Тюшняков С.Н. // Расплавы. 2022. № 3. С. 226–240. https://doi.org/10.31857/S0235010622030094
Гуляева Р.И., Удоева Л.Ю., Петрова С.А [и др.]. Изучение фазовых превращений при металлотермическом восстановлении танталита // Металлург. 2022. 2. С. 75–85.
Гуляева Р.И., Сергеева С.В., Петрова С.А., Удоева Л.Ю. // Перспективные материалы. 2021. № 10. С. 56–64. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2021-10-56-64
Krasikov S.A., Zhilina E.M., Pichkaleva O.A., Ponomarenko A.A., Vedmid’ L.B., Zhidovinova S.V., Chentsov V.P. Effect of the intermetallic compound composition of the character of interphase interactions during aluminothermic coreduction of titanium, nickel, and molybdenum from their oxides // Russ. Metallurgy (Metally). 2016. № 4. P. 771–775.
Мурач Н.Н., Лисиенко В.Т. Алюминотермия титана. М.: ЦНИИцветмет, 1958.
Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия, 1988.
Vedmid’ L.B., Krasikov S.A., Zhilina E.M., Nikitina E.V., Evdokimova I.V., Merkushev A.G. Evolution of phase formation during the aluminothermic reduction of titanium and zirconium from oxides // Russian metallurgy (Metally). 2018. № 8. P. 733–736.
Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical Reaction and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database. Pori: Outokumpu Research OY, 2006.
Wolff M.W., Niemann S., Ebel T., Jeitschko W. // J. Magnetism and Magnetic Materials. 2001. 223. № 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00536-9
Jackson A.G., Mahajan Y.R., Kirchoff S.D. // Scripta Metallurgica. 1986. 20. № 9. P. 1247–1250. https://doi.org/10.1016/0036-9748(86)90041-4