ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 6, с. 34-38
УДК 538.971:669.018
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ЛАТУНИ И БРОНЗЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА © 2013 г. В. С. Ковивчак, Т. В. Панова, К. А. Михайлов, Е. В. Князев
Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, Омск, Россия Поступила в редакцию 20.07.2012 г.
Исследовано изменение морфологии и состава поверхности медных сплавов (латунь ЛС 59-1, бронзы БрОС 10-10, БрАЖ 9-4) при воздействии мощного ионного пучка наносекундной длительности. Показано, что кратеры образуются, главным образом, в местах локализации включений свинца или серы. Обнаружено обратное осаждение цинка на поверхность латуни. Рассмотрены возможные механизмы этих явлений.
БО1: 10.7868/80207352813040124
ВВЕДЕНИЕ
Большинство современных сплавов, используемых в промышленности, состоит из компонентов, имеющих различную (порой отличающуюся на порядки) летучесть. Исследование влияния летучих компонентов на формирование морфологии поверхности сплавов и изменения состава при воздействии мощных ионных пучков (МИП) представляет как научный, так и практический интерес. Оно позволит уточнить механизмы формирования поверхностного рельефа сплавов сложного состава и оптимизировать параметры воздействия МИП с точки зрения минимизации шероховатости поверхности. Ранее было показано, что наличие легколетучих примесей в сплаве (металле) может способствовать образованию кратеров на поверхности при воздействии интенсивных ионных пучков [1—3]. Однако роль легколетучих компонентов (в широком диапазоне концентраций), однородности их объемного распределения в формировании поверхностного рельефа при воздействии МИП до настоящего времени практически не изучена.
Подобные исследование лучше проводить на модельных материалах — сплавах, имеющих невысокую температуру плавления и содержащих компоненты с сильно различающейся летучестью. Это позволит в практически важном диапазоне плотно-
стей тока пучка проследить изменение морфологии поверхности при облучении, вызывающем испарение компонентов от слабого до интенсивного.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объектов исследования были выбраны сплавы на основе меди — латунь ЛС 59-1 (37.35-42.2% Хп, 0.8-1.9% РЬ, содержание примесей не более 0.75%, ГОСТ 1019-47), бронза БрОС 10-10 (9-11% Яп, 8-11% РЬ, содержание примесей не более 0.9%, ГОСТ 613-79), бронза БрАЖ 9-4 (8-10% А1, 2-4% Бе, содержание примесей не более 1.7%, ГОСТ 18175-78) с легкоплавкими и легколетучими компонентами в своем составе - цинк, свинец, олово, алюминий. Температуры плавления Тпл этих сплавов составили 900, 1024, 1040°С соответственно. Основные термодинамические параметры компонентов и примесей, входящих в исследуемые сплавы, сведены в таблицу [4].
Образцы исследуемых сплавов представляли собой отполированные до зеркального блеска диски диаметром 12 мм и толщиной 2 мм, что существенно превышает пробег ионов используемого пучка в данном материале. Облучение проводилось на ускорителе "Темп" протон-углеродным (30% Н+ и 70% С+) пучком со средней
Основные термодинамические параметры компонентов и примесей исследуемых сплавов
Элемент Удельная теплота испарения, Дж/г Т /Т °С А пл/ А кип' ^ Давление насыщенного пара, Па (Т, °С)
Си 4752.9 1083/2543 10-2(1018)
Бе 6267 1538/2872 10-4 (990)
Яп 2496.6 231.9/2620 10-2 (988)
А1 10859 660.2/2520 10-1(1016)
РЬ 857.6 327.4/1745 2 х 102 (1011)
Хп 1763.5 419.4/906.2 105 (909)
Я 327.4 112.8/444.6 105 (433)
энергией 300 кэВ, длительностью 60 нс, в диапазоне плотностей тока 20—150 А/см2 при варьировании числа импульсов облучения от одного до пяти. Поверхность облученных медных сплавов исследовали с помощью растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Типичная исходная поверхность латуни ЛС 59-1 показана на рис. 1. Поскольку свинец полностью не растворяется в жидкой меди, то сплавы меди со свинцом после затвердевания содержат включения свинца, которые располагаются, как правило, по границам зерен. Светлые области на рис. 1 соответствуют включениям свинца. Их характерный размер ~3 мкм. Поверхностная плотность этих включений составляет 2.5 х 107 см-2. Исходная поверхность бронзы БрОС 10-10 в целом аналогична латуни с той лишь разницей, что из-за более высокой концентрации свинца характерный размер включений свинца и поверхностная плотность составляют, соответственно, ~10 мкм и 5.1 х 105 см-2. В отличие от ЛС 59-1 и БрОС 10-10 исходная поверхность БрАЖ 9-4 более однородна и не содержит заметных локальных включений примесей. Поскольку медь как основа сплавов имеет небольшую летучесть, то элементный состав приповерхностных слоев удобно характеризовать отношением (Я) весовых процентных содержаний компонента к меди, которые получены с помощь рентгеновского микроанализа.
Для необлученной латуни ЛС 59-1 имеем Я2п/Си = 0.63, при этом в области включений свинца (ЯРЬ/Си = 9.33) наблюдается также повышенное содержание цинка Ягп/Си = 0.82. Воздействие на латунь ЛС 59-1 одним импульсом МИП с плотностью тока ~ 20 А/см2 приводит к плавлению включений свинца, локализованных на поверхности, и небольшому обеднению поверхности цинком, о чем свидетельствует Я2п/Си = 0.62.
Увеличение плотности тока до 50 А/см2 приводит к интенсивному плавлению, испарению и выбросу свинца из его приповерхностных включений с образованием кратеров с плоским дном и глубоким отверстием в его центре (рис. 2а). В области отверстия концентрация свинца (ЯРЬ/Си = 0.005) резко снижается. Оплавленный поверхностный слой между кратерами (Ягп/Си = 0.625) содержит капли, состоящие в основном из свинца (ЯРЬ/Си = = 6.89), часть которых локализована в углублениях поверхностного слоя. Наряду с описанными выше кратерами наблюдается небольшое число мелких кратеров с плоским дном. Как правило, в центре таких кратеров находится капля свинца.
При однократном воздействии МИП с плотностью тока 100 А/см2 наблюдается рост числа кратеров, в том числе и с неглубоким центральным отверстием. Для таких кратеров в области отверстия
Рис. 1. Исходная поверхность латуни ЛС 59-1.
характерно высокое содержание как свинца (ЯРЬ/Си = 1.04), так и цинка (Ягп/Си = 0.89), что свидетельствует о важной роли в выбросе расплава свинца паров цинка, имеющих более высокое давление, чем пары свинца. В то же время почти на порядок увеличивается плотность неглубоких плоских кратеров с находящимися в их центре каплями свинца (рис. 2б). Вокруг этих капель, имеющих размеры порядка единиц микрометров, формируются массивы более мелких капель размером 50-100 нм. Поверхность между кратерами незначительно обогащена цинком (Ягп/Си = 0.64). Возле неглубоких кратеров наблюдается появление единичных микротрещин длиной ~5 мкм. Вероятно, их появление связано с действием растягивающих напряжений, возникающих на этапе охлаждения поверхностного слоя, когда его температура находится в диапазоне 300-700°С, который соответствует зоне хрупкости латуни.
Увеличение плотности тока пучка до 150 А/см2 при однократном облучении приводит к существенному изменению морфологии поверхности. Наряду с кратерами, имеющими плоское дно с глубоким отверстием в центре, наблюдается развитый поверхностный рельеф, образованный, вероятно, как объединением кратеров различной формы и размеров, так и сложным гидродинамическим движением расплава (рис. 2в). При этом наблюдается обогащение почти всей облученной поверхности цинком (Ягп/Си = 0.666).
Увеличение числа импульсов облучения до трех при сохранении плотности тока пучка приводит к появлению на поверхности выступов различной формы с характерными размерами ~10 мкм и массивов капель с размерами от 0.1 до 5 мкм (рис. 2г). Их плотность достигает 1.7 х 108 см-2. Облученная поверхность оказывается сильно обогащенной цинком (Ягп/Си = 0.998) и приобретает характерный для цинка металлический оттенок. Капли размером ~1 мкм состоят преимущественно из меди (Я2п/Си = 0.242). Достоверно определить со-
Рис. 2. Поверхность латуни ЛС 59-1 после облучения МИП с плотностью тока 50 А/см2, 1 имп. (а); 100 А/см2, 1 имп. (б); 150 А/см2, 1 имп. (в); 150 А/см2, 3 имп. (г).
став капель меньшего размера (~100 нм) в данных условиях не представляется возможным из-за сильного обогащения цинком поверхности, на которой лежат эти капли. Обеднение цинком капель размером ~1 мкм наблюдается и при воздействии импульсного лазерного излучения на латунь [5], что связывается с формированием капель из расплавленного слоя латуни, обедненного цинком за счет гидродинамического отрыва. Формирование капель малого (~100 нм) размера при лазерном воздействии, состоящих преимущественно из цинка, связывают с конденсацией паров цинка на наночастицах, инжектированных из расплава. Формирование такого развитого рельефа при многократном облучении МИП, вероятно, связано с влиянием импульса отдачи интенсивно испаряющегося цинка, приводящего к развитию неустойчивости на поверхности расплава. Значительное обогащение поверхности цинком, возможно, связано с обратным его осаждением на поверхность вследствие конденсации, коагуляции капель из-за охлаждения паров цинка при расширении в вакууме, как это теоретически показано для случая испарения металлической мишени электронным пучком [6].
Для необлученной бронзы БрОС 10-10 имеем ^8п/Си = 0.105, в области включений свинца ^РЬ/Си =
= 10.06. Воздействие на бронзу БрОС 10-10 одним импульсом с плотностью тока ~50 А/см2 так же, как в латуни, приводит к образованию кратеров различных формы и глубины в местах локализации включений свинца (рис. 3а). При этом концентрация олова на поверхности между кратерами практически не изменяется. Увеличение плотности тока до 100 А/см2 вызывает появление четко сформированных кратеров с плоским дном (рис. 3б), концентрация свинца в центральной части уменьшается (^РЬ/Си = 5.72), вероятно, из-за выброса расплава. На гребнях части кратеров увеличивается концентрация олова (^8п/Си = 0.126).
При плотности тока 150 А/см2 увеличивается плотность кратеров. В центральной части кратеров все еще наблюдается высокая ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.