Исследование области расслаивания расплавов в системе Cu-Pb импульсно-фазовым методом

Расслаивание молекулярных и ионных жидкостей надежно изучается точными оптическими методами. В электронных расплавах (жидких металлах, расплавах полуметаллов и полупроводников [1]) явление расслаивания также широко распространено. Последствие оптической непрозрачности, прецизионное изучение расслаивания и закритических явлений в них наталкивается на серьезные трудности. Имеющиеся ограниченные экспериментальные данные, полученные разными методами, достаточно противоречивы.

Так, согласно [2–4] из 80 двойных систем, в которых обнаружено расслоение в жидком состоянии, только в нескольких приводятся экспериментальные данные, обозначающие купол двухфазной области L 1 + L 2 . Во всех остальных случаях области лишь намечены по краям пунктиром. Анализ справочного материала за более поздний период времени [5–7], показал, что положение дел в отношении исследования областей расслаивания практически не изменилось.

Поэтому целью настоящей работы является детальное изучение расслаивания расплавов в системе Cu–Pb.

Методы исследования

Исследование расслаивающихся расплавов импульсно-фазовым методом на проходящей волне с переменной акустической базой описаны в [8–11]. Суть метода заключается в том, что измеряется скорость распространения ультразвука V s в зависимости от высоты h столба жидкости и анализируется так называемая V s – h -характеристика при фиксированной температуре. Совокупность V s – h -характеристик при различных температурах и для расплавов разных исходных концентраций дает полную исключительно экспериментальную информацию о расслаивании расплавов без каких-либо априорных допущений и расчетов.

На рис. 1 представлены результаты измерений скорости распространения ультразвука по высоте расплава Cu0,65Pb0,35 при различных температурах. При 1317 и 1291 К (соответственно линии 1, 2) Vs – h-характеристики представляют прямые, параллельные оси h, т. е. скорость ультразвука не зависит от высоты, что и должно быть для однородного раствора (в пределах данных небольших объемов образца, конечно, когда можно пренебречь изменениями гидростатического давления по высоте). Но при 1271 К на Vs – h-характеристике 3 уже имеется ступенчатый скачок. При этой температуре расплав уже расслоился. Далее при 1258 и 1248 К величина ступеньки ΔVs последовательно увеличивается (Vs – h-ха- рактеристики 4, 5 соответственно), что говорит об увеличении концентрационного разрыва в существующих слоях с понижением температуры.

На рис. 1 видно, что ступеньки V_s – h -характеристик 3–5 фиксируются с большой точностью на одной и той же высоте. Факт того, что граница между слоями при изменении температуры от момента расслаивания до монотектики удерживается в одном положении, свидетельствует только о перераспределении атомов компонентов без изменения массы и объема фаз. Следовательно, этот состав можно считать критическим. Поскольку температура расслаивания фиксируется достаточно четко, то температуру V_s – h -характеристики 3 можно считать критической.

Исследуя V s – h -характеристики для расплавов других исходных концентраций, очевидно, можно построить весь купол расслаивания на диаграмме состояния. Для этого по данным исследований V_s – h -характеристик строится концентрационно-температурная зависимость скорости ультразвука. На рис. 2 представлена такая зависимость в виде политерм 1–8 соответственно. Соответствующие расплавам исходных концентраций 15, 20, 30, 35, 40, 50, 60 и 65 ат. % Pb. Образуя общую огибающую, которая представляет изменение скорости ультразвука вдоль купола расслаивания. При Т >  Т кр все политермы имеют отрицательный наклон к оси температур. Такое

Рис. 1. Изменение скорости распространения ультразвука по высоте столба расслаивающегося расплава Cu 0,65 Pb 0,35 при 1317 (1), 1291 (2), 1271 (3), 1258 (4), 1248 К (5)

Рис. 2. Температурно-концентрационная зависимость скорости распространения ультразвука в расплавах системы Cu–Pb (огибающая кривая) и температурные зависимости V s для сплавов различного состава выше кривой расслаивания (политермы 1–8 соответствуют образцам, содержащим 15, 20, 30, 35, 40, 50, 60 и 65 ат. % Pb)

Рис. 3. Фрагмент диаграммы фазовых равновесий системы Cu–Pb, иллюстрирующий положение кривой моновариантного равновесия «жидкость – жидкость» в сочетании c монотектической горизонталью: 1 – результаты настоящей работы; 2, 3 – данные [15]

изменение скорости ультразвука при Т >  Т _кр вполне объяснимо, так как выше Т кр имеется однородный раствор. Как видно из рис. 2, никаких аномалий на политермах не просматривается. Они линейно спадают с температурой, начиная от температур расслаивания.

В соответствии с выводами в работах [12, 13] этот факт говорит о том, что нет выраженного развития крупномасштабных флуктуаций концентрации в расплавах данной системы. К такому же выводу пришли авторы работы [14].

По температурам перехода расплавов исходных концентраций из однофазного состояния в двухфазное воспроизведена линия мо-новариантного равновесия на Т – х -диаграмме системы Cu–Pb в области расслоения расплавов, которая представлена на рис. 3.

Черными кружками и крестиками обозначены данные [15]. Нетрудно видеть, что полученные нами результаты достаточно хорошо согласуются с этими данными. Из рис. 3 видно, что кривая моновариантного равновесия «жидкость – жидкость» в системе Cu–Pb представляет собой характер асимметричной бинодали, максимум которой несколько смещен в сторону большего содержания Cu. Высота области расслаивания, то есть разница между Ткр и Тмонотектики составляет 43 градуса. По полученным данным можно оценить следующие координаты критической точки: тем- пература – (1271 ± 2) К, состав – 0,35 ат. доли Pb, остальное Cu.

Заключение

В данной работе показано, что исследование скорости распространения ультразвука является эффективным и надежным методом построения кривых моновариантного равновесия «жидкость – жидкость» на фазовой диаграмме, также для определения критической температуры расслоения и для исследования самого процесса расслоения в высокотемпературных расплавах двойных металлических и полупроводниковых систем.