УДК 544.344
Исследование фазовых равновесий в системе Ga–InBi
© Филиппов1,2+ Владимир Викторович, Быков1 Виктор Анатольевич,
Шуняев1* Константин Юрьевич и Шубин1 Алексей Борисович
1 Институт металлургии УрО РАН, ул. Амундсена, 101.,
г. Екатеринбург, 620016. Свердловская область. Россия. Тел.: (8343) 232-91-69. E-mail: vvfilippov@mail.ru
2 Уральский федеральный университет имени первого Президента России , ул. Мира, 19., г. Екатеринбург, 620002. Свердловская область. Россия.
_______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: система Ga–InBi, фазовые равновесия, ДСК метод, метод сканирующей электронной микроскопии
Аннотация
Фазовые равновесия в системе Ga–InBi исследованы методами ДСК и сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что сечение Ga–InBi на диаграмме состояния Ga–In–Bi является неквазибинарным. В данном сечении обнаружены два нонвариантных равновесия: эвтектическое L ↔ (Ga) + (Bi) + InBi при 24.3 ± 0.5˚С и монотектическое L” ↔ L’ + (Bi) + InBi при 98.4 ± 0.5˚С. Уточнено положение границы области расслаивания в системе Ga-InBi.
Введение
Сплавы на основе галлия являются предметом многочисленных исследований, поскольку они широко используются в полупроводниковой промышленности, в производстве диффузионно-твердеющих припоев и в электронных устройствах. Поэтому изучение диаграмм состояния галлийсодержащих сплавов важно с научной и технологической точек зрения.
Исследование фазовых равновесий в системе Ga–In–Bi является частью нашей программы экспериментального исследования теплофизических свойств металлических сплавов [1] и взаимодействия медно-оловянных порошков с галлийсодержащими расплавами [2]. В системе Ga–In–Bi определены термодинамические свойства [3], поверхностное натяжение и плотность [4], хотя диаграмма состояния этой системы полностью не исследована. В литературе имеется только вертикальные сечения Ga–InBi [5] и Ga–In2Bi [6].
Диаграмма состояния Ga–In–Bi относится к системам с областью ограниченной растворимости компонентов жидком состоянии, прилегающей к двойной системе Ga–Bi. Область расслаивания в тройной системе пересекает сечения Ga–InBi и Ga–In2Bi. Однако по имеющимся данным невозможно построить плавную поверхность области расслаивания в системе Ga–In–Bi, поскольку ее концентрационный интервал в сечении Ga–InBi приблизительно на 30 % уже, чем в системах Ga–Bi и Ga–In2Bi. Поэтому мы заново исследовали систему Ga-InBi.
Экспериментальная часть
Фазовые превращения в сплавах Ga–In–Bi изучались дифференциальным сканирующим калориметром (ДСК) STA 409 PC Luxx фирмы NETZSCH. Калибровку калориметра проводили по точкам плавления чистых металлов (Ga, In, Sn, Pb, Bi с чистотой 99.999 %). Образцы массой около 170 мг синтезировались в атмосфере аргона из чистого галлия (чистотой 99.999 %), индия (99.99 %) и висмута (99.995 %). Измерения приводили в ячейках из Al203 в атмосфере высокочистого аргона, в температурном интервале 20-300 ˚С, со скоростями нагрева и охлаждения 1-5˚С /мин. Для каждого образца проведены три опыта. Погрешность определения температуры составляла меньше 1 ˚С.
Микроструктура сплавов исследована на сканирующем электроном микроскопе (СЭМ) Carl Zeiss EVO 40 с приставкой Oxford Instruments INCA x-act для определения химического состава локальных областей поверхности.
Результаты и их обсуждение
По результатам ДСК построена диаграмма состояния системы Ga–InBi (рис. 1). Диаграмма состояния системы Ga-InBi относится к типу диаграмм с нонвариантным монотектическим равновесием. В исследуемом интервале температур установлены два нонвариантных равновесия: эвтектическое L ↔ (Ga) + (Bi) + InBi при 24.3 ± 0.5˚ С и монотектическое L” ↔ L’ + (Bi) + InBi при 98.4 ± 0.5˚ С. Область расслаивания простирается от 5.6 ± 0.1 до 90.5 ± 0.2 ат. % InBi. Кривая расслаивания имеет ассиметричную форму с критической температурой 260 ± 1˚С при 31 ± 1 ат. % InBi. Из рис. 1 следует, что данное сечение не является квазибинарным как предполагалось в работе [5]. Этот вывод подтверждают исследования микроструктуры сплава с 91 ат. % InBi при комнатной температуре (20˚С). В матрице InBi обнаружены включения фаз на основе галлия и висмута (рис. 2). Причем содержание висмутовой фазы менее 1 мас. %.
|
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Ga–InBi. |
|
Рис. 2. Микроструктура сплава Ga – 91 ат. % InBi при 20˚С, полученная на сканирующем электроном микроскопе: фаза InBi (серый), Ga (черный) Bi (белый). |
|
Рис. 3. ДСК кривая для сплава с 12.24 ат. % InBi, полученная при нагреве со скоростью 5˚С/мин. |
В работе [5] установлено, граница области расслаивания в системе Ga–InBi простирается от 6.0 ± 0.5 до 34.0 ± 2.0 ат. % InBi; критическая точка расположена при 129 ± 3˚С и 11.5 ат. % InBi. Таким образом, область расслаивания в данной системе по нашим данным выше по температуре и шире по составу, чем установлено в работе [5]. Такое несоответствие можно объяснить тем, что температурный интервал исследования в [5] был недостаточен для правильной интерпретации фазовых равновесий в системе Ga–InBi. В подтверждение этого на рис. 3 приведены термические эффекты для сплава с 12.24 ат. % InBi, полученные на ДСК при нагреве со скоростью 5˚С/мин. На рисунке видны четыре эндотермических эффекта: первые два отвечают плавлению эвтектики при 24.5 ˚С и монотектики при 98.5 ˚С. Два последних эффекта соответствуют верхней границе существования трехфазной области L’ + L”+ InBi (137.5 ˚С) и двух жидкостей L’ + L” (224.1 ˚С) на диаграмме состояния. Отсутствие висмутовой фазы на рентгенограммах в работе [5] можно объяснить ее малым содержанием в Ga–InBi сплавах (менее 1 мас. %).
Заключение
По результатам исследований методами ДСК и СЭМ построена диаграмма состояния системы Ga–InBi во всем интервале концентраций. В системе Ga–InBi обнаружена область расслоения, найдены ее концентрационные границы и критическая температура. Определена температура легкоплавкой эвтектики со стороны галлия.
Выводы
1. По результатам ДСК и СЭМ установлено, что диаграмма состояния Ga–InBi не является квазибинарной, как считалось ранее.
2. В системе Ga–InBi обнаружены два нонвариантных равновесия: эвтектическое L ↔ (Ga) + (Bi) + InBi при 24.3 ± 0.5˚С и монотектическое L” ↔ L’ + (Bi) + InBi при 98.4 ± 0.5˚С.
3. Область расслаивания в системе Ga–InBi простирается от 5.6 ± 0.1 до 90.5 ± 0.2 ат. % InBi. Кривая расслаивания имеет ассиметричную форму с критической температурой 260 ± 1˚С при 31 ± 1 ат. % InBi.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума УрО РАН (проект -3-1032) с использованием оборудования центра коллективного пользования «Урал –М» ИМЕТ УрО РАН.
Литература
[1] , , Захаров термодинамических и теплофизических свойств интерметаллида Cu3Sn. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.27. №16. С.72-78.
[2] , , Федорова медно-оловянных порошков с эвтектическим расплавом галлий-индий. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №4. С.79-82.
[3] Katayama I., Yamazaki K., Hattory Y., Iida T. Measurement of Activity of Gallium in Liquid Ga–In–Bi Alloys Using Stabilized Zirconia as the Solid Electrolyte. Materials. Transactions, JIM. 2000. Vol.41. No2. P.251–255.
[4] Tanako T., Matsuda M., Nakao K., Katayama Y., Kaneko D., Hara S., Xing X., Qiao Z. Measurement of Surface Tension of Liquid Ga-Base Alloys by a Sessile Drop Method. Z. Metallkd. 2001. Vol.92. No11. P.1242–1246.
[5] , , Яценко состояния InBi–Ga. Металлы. 1988. №2. С.221–222.
[6] , , Яценко состояния In2Bi–Ga. Металлы. 1993. №4. С.231–235.
Investigation of phase equilibria in Ga-InBi system
© Vladimir Viktorovich Filippov,1,2+ Viktor Anatol’evich Bykov,1
Konstantin Yur’evich Shunyaev1* and Alexey Borisovich Shubin1
1 Institute of Metallurgy UB RAS, St. Amundsena, 101.
Ekaterinburg, 620016. Sverdlovsk region. Russia. Tel.: (8343) 232-91-69. E-mail: *****@***ru
2 Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, 19 Mira st., Ekaterinburg, 620002. Sverdlovsk region. Russia
Keywords: system Ga-InBi, phase equilibria, DSC, SEM
Abstract
Phase equilibria in the Ga-InBi system is investigated by DSC and scanning electron microscopy. It is established that the section on the Ga-Bi-InBi phase diagram is non-quasibinary. We found two of invariant equilibrium: eutectic L ↔ (Ga) + (Bi) + InBi at 24.3 ± 0.5 ˚C and monotectic L” ↔ L’ + (Bi) + InBi at 98.4 ± 0.5 ˚C. The position of the liquid phase separation boundary in the Ga-InBi system is defined more exactly.
|
