Наночастицы фрактальной формы расслаивающихся твердых растворов: влияние морфологии на фазовые равновесия в тяжелых вольфрамовых псевдосплавах
DOI:
https://doi.org/10.31489/2023No4/125-132Ключевые слова:
наночастицы, расслаивание, вольфрам, хром, фрактальная размерностьАннотация
Благодаря уникальному набору физико-химических свойств наноструктурированные тяжелые вольфрамовые псевдосплавы являются объектом повышенного интереса, в особенности как объект для современных аддитивных технологий порошковой металлургии. В настоящей работе термодинамически смоделирована зависимость фазовых равновесий от морфологии для наночастиц со структурой core-shell расслаивающегося твердого раствора на примере тяжелого сплава W-Cr. Морфология наночастиц задавалась с использованием методов фрактальной геометрии. Полученные зависимости равновесного фазового состава и устойчивости различных гетерогенных состояний от температуры и морфологии наночастиц интерпретированы на основе трех механизмов понижения свободной энергии системы. В заключительной части работы описан метод расчета равновесных распределений по размерам и средних характеристик в ансамблях наночастиц, а также методика измерения фрактальной размерности наночастиц непосредственно на основе данных микроскопии.
Библиографические ссылки
Vilémová M., Illková K., Lukáš F., et al. Microstructure and phase stability of W-Cr alloy prepared by spark plasma sintering. Fus. eng. des., 2018, Vol. 127, pp. 173 – 178. doi:10.1016/ j.fusengdes.2018.01.012.
Hou Q.-Q., Huang K., Luo L.-M., Tan X.-Y., et al. Microstructure and its high temperature oxidation behavior in W-Cr alloys prepared by spark plasma sintering. Materialia, 2019, Vol. 6, p.100332. doi:10.1016/j.mtla.2019.100332.
Bose A., Schuh C.A., Tobia J.C., et al. Traditional and additive manufacturing of a new tungsten heavy alloy alternative. Int. j. refract. met. hard mater., 2018. Vol. 73, pp. 22 – 28. doi:10.1016/j.ijrmhm.2018.01.019.
Tilmann W., Fehr A., Heringhaus M. Mechanical milling to foster the solid solution formation and densification in Cr-W-Si for hot-pressing of PVD target materials. Adv. powder technol., 2021, Vol.32, No.6, pp. 1927 – 1934. doi:10.1016/j.apt.2021.04.001.
Olakanmi E.O., Cochrane R.F., Dalgarno K.W. A review of selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties. Prog. mater. sci., 2015. Vol. 74, pp. 401 – 477. doi:10.1016/j.pmatsci.2015.03.002.
Cordero Z.C., Carpenter R.R., Schuh C.A., et al. Sub-scale ballistic testing of an ultrafine grained tungsten alloy into concrete targets. Int. j. impact eng., 2016, Vol. 91, pp. 1 – 5. doi:10.1016/j.ijimpeng.2015.11.013.
Chookajorn T., Park M., Schuh C.A. Duplex nanocrystalline alloys: entropic nanostructure stabilization and a case study on W-Cr. J. mater. res., 2015., Vol. 30, No. 2, pp. 151 – 162. doi:10.1557/jmr.2014.385.
Udovskii A.L., Karpushkin V.N., Nikishina E.A. A method for autonomous thermodynamic assessment of phase diagrams of binary systems containing p disordered phases of variable composition and q phases of constant composition at (p, q) ≤ 10. Metally, 1991. No. 4, pp. 87 – 103 [in Russian].
Shishulin A.V., Shishulina A.V. Equilibrium phase composition and mutual solubilities in fractal nanoparticles of the W-Cr heavy pseudo-alloys. Physical and chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials, 2019, No. 11. pp. 380 – 388. doi:10.26456/pcascnn/2019.11.380.
Bajaj S., Haverty M.G., Arróyave R., Goddard W.A., Shankar S. Phase stability in nanoscale material systems: extensions from bulk phase diagrams. Nanoscale, 2015, Vol. 7, No. 9868. doi:10.1039/C5NR01535A.
Shirinyan A., Wilde G., Bilogorodskyy Y. Melting loops in the phase diagram of individual nanoscale alloy particles: completely miscible Cu-Ni alloys as a model system. J. mater. sci., 2020. Vol. 55, pp. 12385 – 12402. doi:10.1007/s10853-020-04812-2.
Mendoza-Pérez R., Muhl S. Phase diagrams of refractory bimetallic nanoalloys. J. nanopart. res., 2020, Vol. 22, No. 36. doi:10.1007/s11051-020-05035-x.
Geoffrion L.-D., Guisbiers G. Chemical ordering in Bi1-x –Sbx nanostructures: Alloy, janus or core-shell? J. phys. chem., C. 2020, Vol.124, No.25, pp. 14061 – 14068. doi:10.1021/acs.jpcc.0c04356.
Geoffrion L.D., Guisbiers G. Physico-chemical properties of selenium–tellurium alloys across the scales. Nanoscale Adv., 2021. Vol.3, No.14, pp. 4254 – 4270. doi:10.1039/D1NA00087J.
Shishulin A.V., Fedoseev V.B. Effect of initial composition on the liquid–solid phase transition in Cr-W alloy nanoparticles. Inorg. mater., 2019. Vol.55, No.1, pp. 14 – 18. doi:10.1134/S0002337X19010135.
Ghasemi M., Zanolli Z., Stankovski M., Johansson J. Size- and shape-dependent phase diagram of In-Sb nanoalloys. Nanoscale, 2015, Vol. 7, pp. 17387 – 17396. doi:10.1007/s10891-020-02182-9.
Shishulin A.V., Potapov A.A., Shishulina A.V. The initial composition as an additional parameter determining the melting behavior of nanoparticles (a case study on Six-Ge1-x alloys). Eurasian phys. tech. j., 2021, Vol. 18, No.4, pp. 5 – 13. doi:10.31489/2021NO4/5-14.
Guisbiers G., Khanal S., Ruiz-Zapeda F., Roque de la Puente J., Yakaman M.-J. Cu-Ni nanoalloy: mixed, core-shell or janus nanoparticles? Nanoscale, 2014, Vol. 6, pp. 14630-14635. doi:10.1039/C4NR05739B.
Shishulin A.V., Shishulina A.V. One more parameter determining the stratification of solutions in small-volume droplets. J. eng. phys. Thermophys, 2022, Vol. 95, No. 6, pp. 1374 – 1382. doi:10.1007/s10891-022-02606-8.
Shishulin A.V., Fedoseev V.B., Shishulina A.V. Environment-dependent phase equilibria in a small-volume system in the case of the decomposition of Bi-Sb solid solutions. Butlerov commun., 2017. Vol. 51, No. 7, pp. 31 – 37 [in Russian].
Guisbiers G. Advances in thermodynamic modeling of nanoparticles. Adv. phys. X., 2019, Vol. 4, No.1, 1668299. doi:10.1080/23746149.2019.1668299
Magomedov M.N. On the statistical thermodynamics of a free-standing nanocrystal: silicon. Cryst. rep., 2017, Vol. 63, No. 3, 480 – 496. doi:10.1134/S1063774517030142.
Samsonov V.M., Demenkov D.E., Karcharov V.I., Bembel A.G. Fluctuation approach to the problem of thermodynamics applicability to nanoparticles. Bull. Russ. acad. sci.: phys., 2011. Vol. 75, No. 8, pp. 1073 – 1077. doi:10.3103/S106287381108034X.
Straumal B.B., Mazilkin A.A., Straumal P.B., Gusak A.M., Baretzky B. Shift of lines in phase diagrams for nanograined materials. Adv. struct. mater., 2013. Vol. 4, pp. 265 – 285. doi:10.1007/8611_2010_29.
Radnóczi G., Bokányi E., Erdélyi Z., MisjákF. Size-dependent spinodal decomposition in Cu–Ag nanoparticles. Acta mater., 2017.Vol. 123., pp. 82– 89. doi:10.1016/j.actamat.2016.10.036
Fedoseev V.B., Shishulin A.V. On the size distribution of dispersed fractal particles. Tech. phys., 2021. Vol. 66, No. 1, pp. 34 – 40. doi:10.1134/S1063784221010072
Shishulin A.V., Potapov A.A., Shishulina A.V. On the transition between ferromagnetic and paramagnetic states in mesoporous materials with fractal morphology. Eurasian phys. tech. j., 2021, Vol. 18, No.2, pp. 6 – 11. doi:10.31489/2021NO2/6-11.
Shishulin A.V., Potapov A.A., Shishulina A.V. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles. Eurasian phys. tech. j., 2022, Vol. 19, No.3, pp. 10 – 17. doi:10.31489/2022NO3/10-17.
Li J., Du Q., Sun C. An improved box-counting method for image fractal dimension estimation. Pattern recognit, 2009. Vol. 42, pp. 2460 – 2469. doi:10.1016/j.patcog.2009.03.001.
Fedoseeva E.N., Fedoseev V.B. Interaction of chitosan with benzoic acid in solution and films. Polymer sci. Ser. A., 2011. Vol. 53, No. 11, pp. 1040 – 1046. doi:10.1134/S0965545X1110004X.
