INFLUENCE OF THE INITIAL COMPOSITION ON THE PHASE EQUILIBRIA IN THE CASE OF THE SOLID PHASE SEPARATION IN BINARY ALLOY NANOPARTICLES (EXEMPLIFYING ON THE W-Cr SYSTEM)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Due to a unique set of physico-chemical properties, nanoparticle-fabricated heavy tungsten pseudo-alloys with the ultrafine-grained structure have become an object of a strong interest among researchers in the case of the up-to-date additive powder metallurgy technologies. In this paper, the peculiarities of the phase composition have been simulated in the framework of a thermodynamic approach to core-shell nanoparticles of a stratifying sold solution using the heavy W - Cr pseudo-alloy as an example. For a two-component system with the phase separation in the solid state, a specific effect has been demonstrated which consists in the fact that, unlike system in the macroscopic state, it is not only the volume fraction of co-existing phases but also their equilibrium composition varies depending on the initial composition of a the system. For two different heterogeneous states of a core-shell structure, the thermal stability areas have been obtained along with temperature-dependent equilibrium phase compositions of the system in each state. A thermodynamic interpretation of the obtained results has been described based on three possible mechanisms of reducing the free energy of the system.

About the authors

Alexander V. Shishulin

Pleiades Publ. Ltd

Email: chichouline_alex@live.RUS
Moscow, Russia

Anna V. Shishulina

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Nizhny Novgorod, Russia

References

  1. Vilémová, M. Microstructure and phase stability of W-Cr alloy prepared by spark plasma sintering / M. Vilémová, K. Illková, F. Lukáš et al. // Fusion Engineering and Design. - 2018. - V. 127. - P. 173-178. doi: 10.1016/j.fusengdes.2018.01.012.
  2. Hou, Q.-Q. Microstructure and its high temperature oxidation behavior in W-Cr alloys prepared by spark plasma sintering / Q.-Q. Hou, K. Huang, L.-M. Luo et al. // Materialia. - 2019. -V. 6. - Art. № 100332. - 8 p. doi: 10.1016/j.mtla.2019.100332.
  3. Bose, A.Traditional and additive manufacturing of a new tungsten heavy alloy alternative / A. Bose,C.A. Schuh, J.C. Tobia et al. // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. - 2018. -V. 73. - P. 22- 28. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2018.01.019.
  4. Tilmann, W. Mechanical milling to foster the solid solution formation and densification in Cr-W-Si for hot-pressing of PVD target materials / W. Tilmann, A. Fehr, M. Heringhaus // Advanced Powder Technology.- 2021. - V.32. - I. 6. - P. 1927-1934. doi: 10.1016/j.apt.2021.04.001.
  5. Olakanmi, E.O. A review of selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties / E.O. Olakanmi, R.F. Cochrane, K.W. Dalgarno //Progress in Materials Science. - 2015. - V. 74. - P. 401-477. doi: 10.1016/j.pmatsci.2015.03.002.
  6. Cordero, Z.C. Sub-scale ballistic testing of an ultrafine grained tungsten alloy into concrete targets / Z.C. Cordero, R.R. Carpenter, C.A. Schuh, B.E. Schuster // International Journal of Impact Engineering. - 2016. - V. 91. - P. 1-5. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2015.11.013.
  7. Chookajorn, T.Duplex nanocrystalline alloys: entropic nanostructure stabilization and a case study on W-Cr / T. Chookajorn, M. Park, C.A. Schuh //Journal of Materials Research. - 2015. - V. 30 - I. 2 - P. 151-162. doi: 10.1557/jmr.2014.385.
  8. Шишулин, А.В. Размерный эффект при расслаивании твердого раствора Cr-W / А.В. Шишулин, В.Б Федосеев // Неорганические материалы. - 2018. - Т. 54. - Вып. 6. - С. 574-578. doi: 10.7868/S0002337X18060040.
  9. Geoffrion, L.-D. Chemical ordering in Bi1-x-Sbx nanostructures: alloy, janus or core-shell? / L.-D. Geoffrion, G. Guisbiers // Journal of Physical Chemistry C. - 2020. - V. 124. - I. 25. - P. 14061-14068. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c04356.
  10. Mendoza-Pérez, R. Phase diagrams of refractory bimetallic nanoalloys / R. Mendoza-Pérez, S. Muhl // Journal of Nanoparticle Research. - 2020. - V. 22. - I. 10. - Art. № 306. - 15 p. doi: 10.1007/s11051-020-05035-x.
  11. Shirinyan, A. Melting loops in the phase diagram of individual nanoscale alloy particles: completely miscible Cu-Ni alloys as a model system / A. Shirinyan, G. Wilde, Y. Bilogorodskyy // Journal of Materials Science. - 2020. - V. 55. - I. 26. - P. 12385-12402. doi: 10.1007/s10853-020-04812-2.
  12. Шишулин, А. В. Некоторые ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ В НАНОЧАСТИЦАХ СИСТЕМЫ SiX - Ge1-X / А. В. Шишулин, А. В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2019. - № 11. - С. 268-276. - doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.268. - EDN IXTTSY.
  13. Shishulin, A.V. Thermal stability and phase composition of stratifying polymer solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, V.B. Fedoseev // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2020. - V. 93. - I. 4. - P. 802-809. doi: 10.1007/s10891-020-02182-9.
  14. Shishulin, A.V. Phase equilibria in fractal core-shell nanoparticles of the Pb5(VO4)3Cl- Pb5(VO4)3Cl system: the influence of size and shape / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, V.B. Fedoseev // Advances in Artificial Systems for Medicine and Education II; ed. by Z. Hu, S. Petouhov, M. He. - Cham: Springer, 2020. - P. 405-413. doi: 10.1007/978-3-030-12082-5_37.
  15. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: nanoscale effects on phase equilibria, thermal conductivity, thermoelectric performance / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Springer Proceedings in Complexity; ed. by C.H. Skiadas, Y. Dimotikalis. - Cham: Springer, 2022. - P. 421-432. doi: 10.1007/978-3-030-96964-6_30.
  16. Магомедов, М.Н. О зависимости фазовой диаграммы сплава замещения от размера и формы нанокристалла / М.Н. Магомедов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2017. - Вып. 9. - С. 291-300.doi: 10.26456/pcascnn/2017.9.291.
  17. Шишулин, А.В.Полимерные растворы в порах деформируемых матриц: фазовые переходы, индуцированные деформацией пористого материала / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев // Журнал технической физики. - 2020. - Т. 90. - Вып. 3. - C. 358-364. doi: 10.21883/JTF.2020.03.48917.292-19.
  18. Шишулин, А.В. О влиянии внешней среды на фазовые равновесия в системе малого объема на примере распада твердого раствора Bi-Sb / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Бутлеров. сообщ. - 2017. - Т. 51. - №7. - С. 31-37.
  19. Shishulin, A.V. The initial composition as an additional parameter determining the melting behaviour of nanoparticles (a case study on Six-Ge1-x alloys) / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2021. - V. 18. - I. 4(38). - P. 5-13. doi: 10.31489/2021No4/5-13.
  20. Shishulin, A.V.One more parameter determining the stratification of solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, A.V. Shishulina // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2022. - V. 95. - I. 6.- P. 1374-1382. doi: 10.1007/s10891-022-02606-8.
  21. Самсонов, В.М. Флуктуационный подход к проблеме применимости термодинамики к наночастицам / В.М. Самсонов, Д.Э. Деменков, В.И. Карачаров, А.Г. Бембель // Известия РАН. Серия физическая. - 2011. - Т. 75. - Вып. 8. - С. 1133-1137.
  22. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на переход жидкость-твердое тело в наночастицах сплава Cr-W / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев // Неорганические материалы. - 2019. - Т. 55. - №1.- С. 16-20. doi: 10.1134/S0002337X19010135.
  23. Шишулин, А. В. РАВНОВЕСНЫЙ фазовый состав и взаимная растворимость компонентов в наночастицах фрактальной формы тяжелого псевдосплава W-Cr / А. В. Шишулин, А. В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2019. - № 11. - С. 380-388. - doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.380. - EDN DGJHTM.
  24. Сдобняков, Н. Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н. Ю. Сдобняков, А. С. Антонов, Д. В. Иванов. - Тверь: Тверской государственный университет, 2019. - 168 с. - ISBN 978-5-7609-1441-5. - EDN YPGZBS.
  25. Федосеев, В.Б. О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин // Журнал технической физики. - 2021. - Т. 91. - Вып. 1. - С. 39-45. doi: 10.21883/JTF.2021.01.50270.159-20.
  26. К проблеме автоматизации процесса определения фрактальной размерности / В. А. Анофриев, А. В. Низенко, Д. В. Иванов [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - № 14. - С. 264-276. - doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.264. - EDN SDRGEQ.
  27. Shishulin, A.V. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulin a// Eurasian Physical Technical Journal. -2022. -V. 19.- I. 3(41). -P. 10-17. doi: 10.31489/2022No3/10-17.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).