Термостабильность структуры и механических свойств наноквазикристаллического Al₉₄Fe₃Cr₃-сплава

Abstract

Методами фазового рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии и микромеханических испытаний изучено влияние температуры на эволюцию структуры и формирование механических свойств быстрозакалённого композиционного Al₉₄Fe₃Cr₃-сплава с наноразмерными частицами метастабильной икосаэдрической квазикристаллической фазы (i-фазы). Показано, что прочностные характеристики быстрозакалённого сплава сохраняют свои значения до температуры 400°C, при которой происходит растворение квазикристаллических частиц i-фазы с одновременным формированием метастабильного интерметаллида Al₆Fe. Существенное снижение прочности сплава происходит при повышении температуры отжига до 550—575°C, которое сопровождается превращением метастабильного интерметаллида Al₆Fe в стабильные кристаллические θ-фазы Al₁₃Cr₂ и Al₁₃Fe₄.

Методами фазової рентґеноструктурної аналізи, просвітлювальної електронної мікроскопії та мікромеханічних випробувань досліджено вплив температури на еволюцію структури та формування механічних властивостей швидкозагартованого композиційного Al₉₄Fe₃Cr₃-стопу з нанорозмірними частинками метастабільної ікосаедричної квазикристалічної фази (i-фази). Показано, що характеристики міцности швидкозагартованого стопу зберігають свої значення до температури у 400°C, коли в структурі замість квазикристалічних частинок i-фази, які розчиняються, відбувається формування частинок метастабільного інтерметаліду Al6Fe. Зниження міцности відбувається у разі підвищення температури відпалу до 550—575°C, при якому відбувається перетворення метастабільного інтерметаліду Al₆Fe на стабільні кристалічні θ-фази Al₁₃Cr₂ і Al₁₃Fe₄.

Nano-quasi-crystalline Al—Fe—Cr-based alloys composed of nanosize icosahedral quasi-crystalline particles embedded in the α-Al matrix exhibit a high strength at elevated temperatures compared to commercial Al alloys. In this point, basic knowledge concerning structural stability is important for application of Al—Fe—Cr-based alloys in engineering practice. Investigation of thermal evolution of rapid-quenched melt-spun Al-based alloy with nominal composition of Al₉₄Fe₃Cr₃ is the subject matter of the present study. X-ray diffraction (XRD) analysis and transmission electron microscopy (TEM) are used for microstructural characterisation of the above-mentioned alloy heat-treated at different temperatures during 30 min. In addition, microindentation technique is applied to reveal a correspondence of microstructure with strength and ductility of Al₉₄Fe₃Cr₃ alloy in as-spun state and after heat treatment. A number of mechanical characteristics including Young’s modulus, E, Vickers microhardness, HV, yield stress, σ₀.₂, and plasticity characteristic, δH, all determined by state-of-the-art testing method procedures, are measured to specify strength and ductility of the rapid-quenched melt-spun Al₉₄Fe₃Cr₃. The results showed that quasi-crystalline particles survive in the microstructure of Al₉₄Fe₃Cr₃ alloy heat-treated up to the temperature of 400°C. However, gradual dissolution of quasi-crystalline particles and simultaneous formation of metastable crystalline Al₆Fe particles occur at the temperature above 400°C. Heat treatment of the rapid-quenched melt-spun Al₉₄Fe₃Cr₃ alloy at the temperature of 550°C and higher results in transition of metastable Al₆Fe phase into stable crystalline θ-phases, i.e. Al₁₃Cr₂ and Al₁₃Fe₄. Combination of high strength and quite-enough ductility is found to be true for the as-spun Al₉₄Fe₃Cr₃ alloy. Mechanical characteristics do not change so much when Al₉₄Fe₃Cr₃ alloy is heated up to the 400°C, since quasi-crystalline particles remain in the microstructure. Disappearance of quasi-crystalline particles after heat treatment of Al₉₄Fe₃Cr₃ alloy at the temperature higher than 400°C causes strength properties to be decreased considerably although plasticity characteristic increases up to the critical value δH≅0.9 considered as criterion for ductile behaviour of metals and alloys in conventional tests by tensile and bending.