УТВОРЕННЯ НІТРИДІВ ПРИ ВЗАЄМОДІЇ АЗОТУ З РІДКИМ АЛЮМІНІЄМ І ЙОГО СПЛАВАМИ

Procesi littâ, 2025, Vol 3 (161), 23-32

Анотація

Метою представленої роботи є обґрунтування утворення розчину азоту в рідких алюмінії та силуміні. Вважалося, що взаємодія азоту з рідким алюмінієм відбувається безпосередньо на поверхні розплаву, і у зв’язку з цим виникло питання можливості утворення дисперсних нітридів в об’ємі розплаву при газовій азотації. Термодинамічними розрахунками доведено, що реакція утворення нітриду алюмінію в стандартних умовах, за яких поправка на поверхневу енергію (дисперсність) частинок нітриду дуже мала, тобто продукт реакції Al+0,5N2=AlN масивний, відбувається при будь-яких реальних температурах. А при утворенні нітриду алюмінію великої дисперсності можлива компенсація, за певних умов, вільної енергії системи. Розраховано, при яких розмірах дисперсних нітридів, що можливо утворюються, їх поверхнева енергія компенсує зміну вільної енергії реакції утворення нітриду алюмінію в стандартних умовах. Визначено розмір нітридів при певних температурах, при яких термодинамічно ймовірне їх утворення. Експерименти проводили, створюючи умови проточної системи. Тобто з одного боку зразка створювали тиск суміші азоту з воднем, а з протилежного — вакуум. Розрахунок показав, що в стандартних умовах поверхнева енергія нітриду становить 8,52·10-3 Дж/моль і є малою величиною. Зміна поверхневої вільної енергії частинок нітриду алюмінію розміром 1,2·10-9 м при температурі 1373 К становить 168605 Дж/моль, а при температурі 1473 К — 82428 Дж/моль. Рентгенографічно встановлено, що в умовах проточної системи газ-розплав утворюється розчин азоту в алюмінії, а при кристалізації розплаву — випадають нітриди. Одержані дані корелюють із наведеними в науковій літературі щодо взаємодії високореакційних металів з азотом. Визначено, що процес насичення розплаву алюмінію азотом у проточних умовах без проведення кристалізації розплаву є оборотним, а у стаціонарних системах при температурах нижче 2940 К, що відповідає негативним значенням зміни вільної енергії реакції утворення нітриду алюмінію, процес необоротний.