Влияние высокого давления на жидкое состояние и формирование квазикристаллических фаз в сплавах Al-Cu-Fe(Co)

Проект направлен на разработку фундаментальных основ для получения нового класса материалов на основе Al, в которых в качестве фаз-упрочнителей выступают квазикристаллические фазы. В ходе выполнения проекта было решено большинство запланированных задач и получены новые фундаментальные закономерности структурообразования квазикристаллических фаз в сплавах на основе систем Al-Cu c Сo и Fe. Последовательное применение ab initio расчетов, машинного обучения и классической молекулярной динамики позволило построить межатомные потенциалы взаимодействия для тройных систем сплавов Al-Cu-Fe и Al-Cu-Co от 0 до 20 ГПа. Под действием высокого давления максимальные изменения наблюдаются для сплава Al72Cu15,5Fe12,5. Воздействие давлением Р=10 ГПа привело к уменьшению радиуса первой координационной сферы, а также к значительному разбросу его значений для различных пар атомов. При высоком давлении в образцах Al-Cu-Fe для атомов Fe наблюдается тенденция к зарождению локального икосаэдрического порядка. Для расплавов Al-Cu-Co были проведены прецизионные исследования концентрационного изменения химического ближнего порядка в жидком состоянии при высоких температурах и в переохлажденной области, а также выполнена оценка концентрационной эволюции температур стеклования. Теоретические расчеты выявили корреляцию между экстремумами свойств, наблюдаемыми в эксперименте, перестройкой химического ближнего порядка в жидкости и немонотонностью концентрационной зависимости температуры стеклования и удельного объема. Исследования влияния барических и термических воздействий на процессы затвердевания сплавов Al-Cu-Fe показали, что при затвердевании расплавов в условиях высоких давлений икосаэдрическая фаза (i-фаза) также, как и при нормальном давлении, образуется по перитектической реакции. На первом этапе из расплава образуются фазы AlFe и Сu3Al, которые сохраняются до комнатной температуры, при этом доля i-фазы значительно выше в сплаве, содержащем 15 ат.% Cu, чем при 25,5 ат.% Сu (который соответствует ее стехиометрии при нормальном давлении). Получены экспериментальные данные по температурному и концентрационному поведению вязкости расплавов Al-Cu-Co при 15 ат.% Co и 10-30 ат.% Cu, а также при 25 ат.% Cu и 2,5-20 ат.% Co. Исследованы условия образования твердых фаз в этих сплавах при кристаллизации в контейнере в условиях медленного охлаждения (до 1К/с) при нормальном давлении. Построены концентрационные срезы диаграммы состояния системы Al-Cu-Co при 15 ат.% Сo и 25 ат.% Сu, в изученных интервалах концентраций установлено два инвариантных превращения: при 17,5 ат.% Cu и 15 ат.% Co L+Al13Co4 – L+/beta и при 25 ат.% Сu и 12 ат.% Co L+Al13Co4 – L+/beta. Обнаруженные особенности на концентрационной зависимости переохлаждения хорошо согласуются с общим изменением характера кристаллизации и имеют более сложный вид, чем линии ликвидус. Сопоставление концентрационных зависимостей вязкости и переохлаждения расплавов Al-Cu-Co между собой, а также с видом концентрационных срезов тройной диаграммы состояния позволили установить выраженное влияние химического взаимодействия в расплаве на условия образования твердых фаз на первых этапах кристаллизации при нормальном давлении. Увеличение давления до 5 ГПа смещает инвариантные равновесия в области меньших концентраций Cu и больших Co, что способствует расширению концентрационного интервала существования d-фазы. Показано, что полученная при высоком давлении структура сплавов стабильна до температур 500-800 град. Сплавы, затвердевающие в условиях высоких давлений, менее дефектны и имеют высокие значения микротвердости. Максимальное увеличение микротвердости наблюдается для сплава квазикристаллической стехиометрии (Al60Cu25Co15). Изучены физико-химические процессы при контакте сплавов Aмг6 и сплавов на основе системы Zn-Al, а также концентрационная зависимость вязкости расплавов Al-Zn в области составов до 25 ат.% Zn. Показано, что при механическом нанесении сплавов Zn-Al, Zn-Al-Cu в жидком состоянии на твердый сплав Амг6 при нормальном давлении происходит активное взаимодействие Zn и Al, что приводит к образованию развитой морфологии в зоне соединения. Показано, что области, богатые цинком, при кристаллизации содержат интерметаллидную фазу Zn5Cu, которая не охрупчивает зону контакта.