научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МЕДНЫХ СПЛАВАХ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО РЕЛЬЕФА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МЕДНЫХ СПЛАВАХ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО РЕЛЬЕФА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 3, с. 95-100

УДК 538.971:539.24:669.018

ВЛИЯНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МЕДНЫХ СПЛАВАХ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО РЕЛЬЕФА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА

© 2015 г. В. С. Ковивчак, Т. В. Панова, К. А. Михайлов

Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, 644077Омск, Россия

E-mail: kvs@univer.omsk.su Поступила в редакцию 10.05.2014 г.

Исследовано изменение морфологии и состава поверхности медных сплавов (латунь Л63, бронза ВБ23НЦ, сплав Cu—Al), содержащих компоненты с различной летучестью при воздействии мощного ионного пучка наносекундной длительности. Показано влияние различных компонентов сплавов на формирование кратеров на поверхности при таком воздействии. Рассмотрены возможные механизмы наблюдаемых явлений.

Ключевые слова: морфология и состав поверхности медных сплавов, мощный ионный пучок наносекундной длительности, формирование кратеров неоднородности.

DOI: 10.7868/S0207352815030117

ВВЕДЕНИЕ

Большинство современных конструкционных сплавов, используемых в промышленности, имеет сложный состав и содержит компоненты с различной летучестью. Значительный научный и практический интерес представляет изучение влияния состава сплавов на их морфологию после модифицирующего воздействия мощного ионного пучка (МИП). Проведенные ранее исследования изменения морфологии и состава модельных медных сплавов под действием МИП [1] показали, что образование кратеров происходит, главным образом, в местах локализации включений легкоплавкого свинца за счет его выброса или легколетучей серы. Было показано, что равномерно распределенные по объему сплавов компоненты с высокой летучестью (в случае исследованных медных сплавов это цинк) играют существенную роль в формировании поверхностного рельефа при таком воздействии. Однако невыясненным остался вопрос о концентрациях легколетучих и легкоплавких компонентов в таких модельных материалах, величины которых могут оказывать существенное влияние на формирование кратеров на поверхности при воздействии МИП. Для выяснения этого вопроса в настоящей работе круг исследуемых модельных медных сплавов был расширен.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования были выбраны сплавы на основе меди — латунь Л63 (34.22-37.5% гп, до 0.07% РЬ, до 0.2% Бе, до 0.005%

Sb, примесей не более 0.5%, ГОСТ 15527-2004), бронза ВБ23НЦ (3-4% Zn, 18-22% Pb, 3-4% Ni, 3-4% Sb, до 0.3% Fe, до 0.5% Sn, примесей не более 0.9%, ГОСТ 493-79), Cu-Al сплав (47.7% Cu) с легкоплавкими и легколетучими компонентами в своем составе - Zn, Sb, Pb, Sn. Температуры плавления Тпл этих сплавов составили 1179, 1280, 860 К соответственно. Основные термодинамические параметры компонентов и примесей, входящих в исследуемые сплавы, представлены в таблице [2]. Образцы исследуемых сплавов представляли собой отполированные до зеркального блеска диски диаметром 12 мм и толщиной 2 мм, которая существенно превышает пробег ионов используемого пучка в данном материале. Облучение проводилось на ускорителе "Темп" протон-углеродным (30% Н и 70% С) пучком со средней энергией 300 кэВ, длительностью 60 нс, в диапазоне плотностей тока 20-150 А/см2 при варьировании числа импульсов облучения от одного до пяти. Морфологию поверхности и состав образцов исследовали с помощью растровой электронной микроскопии (JSM-6610LV, JEOL с энергодисперсионным анализатором Inca-350). Данные энергодисперсионного анализа (ЭДА), усредненные по облучаемой поверхности, интерпретировали с учетом особенностей такого анализа для неоднородных материалов [3]. Так как медь, являющаяся основой сплавов, имеет невысокую летучесть, то изменение состава приповерхностных слоев при воздействии МИП, как и в предыдущих исследованиях, характеризовали величиной RX/Cu, равной отношению содержания (в весовых процентах) иссле-

Основные термодинамические параметры компонентов и примесей в исследуемых сплавах

Элемент Удельная теплота испарения, Дж/г Т /Т °С J пл/ J кип' ^ Давление насыщенного пара, Па (Т, °C)

Cu 4752.9 1083/2543 10-2(1018)

Fe 6267 1538/2872 10-4 (990)

Ni 6303.2 1455/2800 10-4(1072)

Al 10859 660.2/2520 10-1(1016)

Sb 1021.6 630.5/1634 102 (997)

Pb 857.6 327.4/1745 2 х 102 (1011)

Zn 1763.5 419.5/906.2 105 (909)

S 327.4 112.8/444.6 105 (433)

дуемого элемента (X = Zn, РЬ и так далее) к содержанию меди, которая получена из данных рентгеновского микроанализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание РЬ в ранее исследованной латуни ЛС59-1 составляло 1.9%. В латуни Л63 оно достигает всего 0.07%, что практически соответствует уровню неконтролируемой при производстве латуни примеси. Сравнительное исследование этих сплавов позволит оценить влияние малых концентраций легкоплавкого и легколетучего свинца на формирование кратеров на поверхности при воздействии МИП. В свою очередь, в бронзе ВБ23НЦ содержание РЬ достигает 18—22% (что близко к максимально используемому значению

Рис. 1. Исходная поверхность латуни Л63.

содержания Pb в медных сплавах), тогда как в ранее исследованной бронзе БрОС10-10 его концентрация составляет всего 10—11%. Таким образом, при сравнительном исследовании этих латуней и бронз можно проследить влияние концентрации Pb (в виде микровключений разных размеров) на образование кратеров при изменении концентрации Pb почти в 300 раз. Кроме того, бронза ВБ23НЦ характеризуется не только высоким содержанием Pb, но и наличием Sb (3—4%) — компонента с летучестью, сравнимой с Pb. Концентрация Zn в этом сплаве сопоставима с концентрацией Sb. Это также позволит оценить влияние других (отличных от Zn) легколетучих компонентов сплава на выброс Pb из его микровключений, приводящих к образованию кратеров на поверхности при облучении МИП [1]. Учитывая, что в медных сплавах включения могут иметь летучесть меньше, чем у Zn и Pb, в качестве еще одного исследуемого материала был взят сплав Cu—Al, в котором имеются области, состоящие из твердого раствора меди в алюминии, включений CuAl2 и эвтектики, имеющие термодинамические параметры, отличные от основы. Исследование этого сплава позволит оценить влияние таких включений (с меньшей летучестью) на образование кратеров.

По данным рентгеновского микроанализа для поверхностных слоев исходной латуни Л63 (рис. 1) получены значения RZn/Cu = 0.665. В микровключениях Pb, в силу особенностей генерации рентгеновского излучения в такой двухслойной системе, значение RPb/Cu зависит от толщины этого включения, но, как правило, составляет не менее 0.35. Наличие в латуни и бронзе микровключений Pb связано с его малой растворимостью в меди. Поверхностная плотность таких включений в Л63

Рис. 2. Кратеры, образующиеся на поверхности латуни Л63 при однократном воздействии МИП с плотностью тока пучка 30 А/см2 (а) и 50 А/см2 (б).

Рис. 3. Поверхность образцов латуни Л63 после воздействия МИП:/ = 100 А/см2, п = 4 (а); / = 150 А/см2, п = 5 (б).

составляет 4.5 х 105 см 2. При малой плотности тока (~30 А/см2) на поверхности формируются кратеры, имеющие небольшую глубину (рис. 2а). В центральной части таких кратеров иногда образуются трещины. Вне кратера наблюдается обеднение

облученной поверхности цинком Я

гп/си

ка пучка, — поверхность вне кратера по-прежнему сильнее обеднена гп (Я2п/Си = 0.593), чем его край (Я2п/Си = 0.619). В углублении центральной части кратера, имеющем характерный размер ~1 мкм, наблюдается обогащение гп (относительно ис-

= 0.539. ходной поверхности латуни) Я2п/Си = 0.788. Нали

Край кратера менее обеднен гп (Я2п/Си = 0.633), что, вероятно, обусловлено выдавливанием расплава латуни из более глубоких слоев при формировании кратера. В центре кратера наблюдается более высокая концентрация как РЬ (ЯРЬ/Си = 0.747), так и гп (Я2п/Си = 4.534). Это подтверждает тот факт, что формирование кратеров в латуни Л63 также происходит преимущественно на микровключениях РЬ.

При увеличении плотности тока до 50 А/см2 наряду с неглубокими кратерами формируются кратеры с ярко выраженными краями (рис. 2б). При таком режиме облучения сохраняются тенденции, характерные для меньшей плотности то-

гп/си -

чие небольшого количества РЬ в этом углублении (ЯРЬ/Си = 0.047) свидетельствует о почти полном его удалении из микровключений при формировании кратера. При плавлении поверхностного слоя латуни расплавленный РЬ из микровключений в основном выбрасывается с парами гп (имеющего в этой области повышенную концентрацию и более высокое давление паров, чем у РЬ).

Увеличение плотности тока МИП до 100 А/см2 приводит к дальнейшему изменению морфологии поверхности — наблюдается сглаживание кратеров, особенно при многократном облучении (рис. 3а). Поверхностный слой латуни вне кратера после такого режима облучения обеднен

Рис. 4. Увеличенное изображение поверхности выступа (центральная часть рис. 3б).

Рис. 5. Исходная поверхность бронзы ВБ23НЦ.

Zn (^п/Си = 0.560). На дне большинства кратеров присутствует локализованный РЬ (КРЬ/Си = 0.023) и наблюдается обогащение Zn (К^/^ = 0.731). Этот факт служит очередным подтверждением преимущественного образования кратеров на микровключениях свинца. Наиболее сильные изменения в морфологии поверхности и составе приповерхностных слоев латуни Л63 наблюдаются при многократном воздействии МИП с плотностью тока 150 А/см2 (рис. 3б). В целом морфология поверхности похожа на ранее наблюдаемую при воздействии МИП на латунь ЛС59-1. На облученной поверхности образуются выступы с характерными размерами ~ 10 мкм и капли с размерами от 0.25 до 2.5 мкм (рис. 4). Поверхностная плотность капель достигает величины 1.7 х 108 см-2. Облученный поверхностный слой вне выступов оказывается обогащенным Zn (К;п/Си = 0.670), но это обогащение значительно меньше, чем наблюдалось ранее для ЛС59-1. При многократном облучении поверхность латуни приобретает металлический оттенок, характерный для цинка, который заметен на образце даже невооруженным глазом. Это связано с образованием тонкого слоя Zn (не менее ~10 нм) вследствие обратного осаждения на поверхность его паров. Поверхность образующихся выступов также незначительно обогащена Zn (К:^^

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»