Исследование испарения при низком остаточном давлении
Изучение закономерностей испарения отдельных компонентов сплавов при высокотемпературном нагреве в вакууме позволяет осуществлять самые различные исследования в области металловедения и физики металлов.
Недостатком известных нам методов изучения испарения металлов и сплавов является невозможность получения данных о кинетике этого процесса, так как об интенсивности сублимации с поверхности изучаемого образца можно судить только по окончании опыта.
Предложенный и осуществленный нами способ исследования кинетики процесса испарения основан на непрерывном определении электрического сопротивления осаждающейся во время опыта пленки конденсата. Последующий рентгенографический или электронографический анализ конденсата позволяет судить о количественном соотношении испаряющихся частиц. Рассмотрим некоторые результаты экспериментов.
Для исследования применяли цилиндрические образцы диаметром 4—5 мм и длиной 100 мм. К средней части этих образцов, предварительно тщательно обезжиренных и промытых спиртом, точечной электросваркой прикрепляли спай термопары, а затем образцы устанавливали в приспособлении, внешний вид и устройство которого приведены на рис. 120.
Для нагрева через образец пропускали электрический ток промышленной частоты. Нагрев начинался после откачки рабочей камеры до остаточного давления 1*10в-5 мм рт. ст. При этом за счет выделения из образца окклюдированных и адсорбированных газов давление в рабочей камере на некоторое время несколько увеличивалось.
Поверхность кольцевого конденсатора, обращенную к образцу, закрывали молибденовым цилиндрическим экраном, чтобы предотвратить возможность осаждения на конденсатор испаряющихся частиц до установления в рабочей камере стационарных значений остаточного давления и температуры.
Электросопротивление между платиновыми обкладками конденсатора вследствие образования слоя испаряемого вещества измеряли в течение опыта при помощи электрического моста.
Для получения сопоставимых результатов отдельные серии опытов проводили при неизменных значениях температуры образца и остаточного давления.
На рис. 301 приведен построенный в полулогарифмических координатах график, иллюстрирующий изменение электрического сопротивления зоны между платиновыми обкладками конденсатора при осаждении на ней испаряющихся частиц с различных образцов. Как видно из этих данных, наибольшая скорость осаждения и, следовательно, наименьшая величина электрического сопротивления слоя конденсата получена для образцов технического железа. Кривая 4 для сплава нимоник располагается почти на два порядка выше кривой 1.
Рентгенограммы снимали в камере Престона с пленок, осажденных на стеклянных пластинках толщиной 0,1 мм и площадью 20х20 мм2. Пленки получали в результате испарения образцов при 1150 °С в течение 30 мин. Размытие линий на рентгенограммах, возрастающее по мере повышения содержания легирующих элементов, позволяет судить об изменении концентрации твердого раствора, приводящей к увеличению искажений кристаллической решетки. Электронографический анализ пленок конденсата, осажденных на стеклянные пластинки при нагреве образцов в вакууме на 1100 °C и выдержке в течение 20 мин., позволил обнаружить в этих пленках наличие текстуры, что свидетельствует о кристаллическом строении исследованной пленки. Использование электронографического анализа может оказаться полезным и для определения состава конденсата, осажденного в результате процесса испарения образцов в вакууме при нагреве. Расшифровка состава конденсата представляет значительный интерес, так как это может позволить выявить те легирующие примеси, которые тормозят или, напротив, ускоряют испарение. Поскольку зависимость, показанная на рис. 301, дает основание полагать, что по мере повышения жаропрочности интенсивность испарения понижается, то при разработке новых составов жаропрочных сплавов может иметь значение применение метода исследования и испарения в вакууме.
Исследования, выполненные М.П. Матвеевой, Л.И. Ивановым и Л.Н. Быстровым с использованием метода радиоактивных изотопов, подтверждают высказанное мнение. Авторы полагают, что прочность межатомной связи сплавов в первую очередь может быть оценена теплотой их испарения. Эксперименты, выполненные на установке, схема устройства которой показана на рис. 122, были проведены при 1150—1250 °C на сплавах тройной системы хром — молибден — железо, содержащих 55 и 65% Cr.
Перед исследованием образцы облучались тепловыми нейтронами в атомном реакторе. При этом из стабильного изотопа Cr50 возникает радиоактивный изотоп Cr51. Образующиеся при облучении радиоактивные изотопы железа и молибдена имеют малый период полураспада.
На рис. 302 показано изменение теплоты сублимации в зависимости от содержания молибдена в сплавах с 65% и 55% Cr, определенной по описанной выше методике. В сплавах с 65% Cr теплота сублимации возрастает с повышением содержания молибдена. В сплавах с 55% Cr ее максимум находится при содержании молибдена около 20%. Следует отметить, что теплота сублимации является структурно нечувствительной величиной, усредненной для некоторого объема материала. В то же время термодинамическая активность компонентов очень сильно зависит от взаимодействия однородных и разнородных атомов в кристаллической решетке.
Если предположить, что энергия ионизации атомов хрома мало зависит от концентрации железа и молибдена, то повышение теплоты сублимации может свидетельствовать о том, что эти сплавы обладают тенденцией к образованию более прочной связи между входящими в них разнородными атомами. При этом на основании представленных выше термодинамических данных можно предположить, что сплавы, содержащие 65% Cr, будут более прочными при содержании молибдена больше 15% (рис. 302).
В этих сплавах, по-видимому, имеется повышенное значение энергии связи между атомами хрома, молибдена и железа. В сплавах, содержащих 55% Cr, наибольшей прочностью будут обладать композиции, лежащие в области образования а-фазы.
Для экспериментальной проверки высказанных предположений была определена механическая прочность сплавов с 65% Cr при 1150 °C методом центробежного изгиба (при напряжении 0,5 кг/мм2 и продолжительности опытов 20 час.) и сплавов с 55% Cr — высокотемпературным кручением в вакууме на специальной установке. Оба метода испытания подтвердили справедливость данных, полученных оценкой теплоты сублимации. Высказано предположение, что наиболее прочными при высокой температуре должны быть сплавы, обладающие повышенной теплотой сублимации и имеющие минимальную термодинамическую активность, что характеризует тенденцию к образованию преимущественной связи между разнородными атомами в кристаллической решетке материала.