ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 3, с. 45-48
УДК 541.123:546.21
ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ НА КИНЕТИКУ СТРУКТУРЫ ГИДРИДНЫХ ФАЗ В ТИТАНЕ © 2015 г. Н. А. Тимченко, Р. М. Галимов, С. И. Кузнецов*
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
634050 Томск, Россия *E-mail: smit@tpu.ru Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
В работе приведены результаты исследования влияния обработки электронным пучком поверхности титана на процессы электрохимического насыщения водородом. Исследования были проведены на станциях прецизионной порошковой дифрактометрии накопителя ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН) и PDIFF Beamline специализированного источника синхротронного излучения ANKA (Karlsruhe Institute of Technology). Показано, что модифицированный приповерхностный слой является эффективным барьером для проникновения водорода в объем материала.
Ключевые слова: водород, гидридные фазы, дифрактометрия с временным разрешением. DOI: 10.7868/S020735281503018X
ВВЕДЕНИЕ
Важной проблемой современной физики конденсированного состояния вещества является проблема взаимодействия водорода с материалами, поскольку водород может как улучшать, так и ухудшать их эксплуатационные характеристики. Для детального понимания процессов водородного охрупчивания конструкционных материалов ядерных реакторов, а также исследования природы термо- и радиационно-стимулированной диффузии водорода в металлах необходима детальная информация об атомной и электронной структурах систем металл—водород [1, 2]. Такая информация может быть получена из дифракционных и спектральных измерений с использованием синхротронного излучения. В представленной работе такие измерения были проведены для титана.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования кристаллической структуры титана при электролитическом насыщении водородом выполнялись на станции "Прецизионная дифрактометрия II" на канале СИ № 6 накопителя электронов ВЭПП-3 [3] и PDIFF Beamline специализированного источника синхротронного излучения ANKA (Karlsruhe Institute of Technology) [4].
Особенностью станции "Прецизионная дифрактометрия II" на канале СИ № 6 накопителя электронов ВЭПП-3 является применение в порошковом дифрактометре однокоординатного де-
тектора ОД-3М, который состоит из многопроволочной пропорциональной газовой камеры, регистрирующего блока с координатным процессором и управляющего компьютера. Однокоординатные детекторы регистрируют рассеянное излучение одновременно в некотором интервале углов (30°). При использовании детекторов серии ОД-3 рассеянное излучение регистрируется по 3328 каналам с быстродействием до 10 МГц. Таким образом, на используемой станции реализуется возможность записи дифрактограмм с временным разрешением менее 1 мс. Фотография дифрактометра с од-нокоординатным детектором ОД-3М приведена на рис. 1.
Канал PDIFF-beamline специализированного источника синхротронного излучения ANKA (Karlsruhe Institute of Technology) оборудован че-тырехкружным дифрактометром с точечным сцинтилляционным детектором. Использовался монохроматический пучок рентгеновского излучения с энергией E = 10.5 кэВ (X = 1.8076 Ä). Для измерения дифрактограмм применялся режим 9/29-сканирования при непрерывном вращении образца со скоростью 5—10 об./мин. Глубина проникновения рентгеновского излучения с длиной волны X = 1.18076 Ä при определенных углах наклона была следующая: 1° — 0.382427 мкм; 2° — 0.780505 мкм; 3° - 1.17480 мкм; 13° - 5.06351 мкм; 25° - 9.51396 мкм; 30° - 11.2561 мкм. На рис. 2 представлена фотография четырехкружного ди-фрактометра с точечным сцинтилляционным детектором, установленным на PDIFF Beamline.
46
ТИМЧЕНКО и др.
Рис. 1. Порошковый дифрактометр с детектором ОД-3М для измерений с временным разрешением на канале СИ № 6 накопителя электронов ВЭПП-3 .
Рис. 2. Четырехкружный дифрактометр с точечным сцинтилляционным детектором на PDIFF Beamline специализированном источнике синхротронного излучения ANKA (Karlsruhe Institute of Technology).
Образцы для исследований представляли собой пластинки 10 х 45 х 1 мм стандартного прокатанного листа титана (ВТ1-0). Для устранения проявления текстуры на дифрактограммах образцов платформа, на которой крепился образец, вращалась.
Исследовались как исходные образцы, поверхность которых специальным образом не обрабатывалась, так и образцы, поверхность которых была модифицирована низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком микросекундной длительности в режимах поверхностного плавления. Для этих целей использовался оригинальный, не имеющий аналогов по совокупности параметров источник электронов на основе плазмонапол-ненного диода с взрывоэмиссионным катодом, разработанный в институте сильноточной электроники СО РАН. Генерировался пучок электронов с энергией до 50 кэВ при плотности энергии от 15 до 25 Дж/см2 и рабочей частотой следования микросекундных импульсов 0.1—0.2 Гц.
Насыщение образцов водородом осуществлялось в специально изготовленной электролитической ячейке, где реализовывался процесс электролиза одномолярного раствора Н^04 при плотно-
сти тока 0.01 А/м2. Катодом служил исследуемый образец, анодом — спираль из платиновой проволоки диаметром 0.4 мм. Катод и анод фиксировались во фторопластовом держателе. Питание электролитической ячейки осуществлялось от стабилизированного источника тока GPS-1830D. Наводорожи-вание образцов проводилось непосредственно перед измерениями.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Металлографические исследования структуры титановых образцов в исходном состоянии показали, что в поперечном сечении была сформирована равноосная зеренная структура с размером зерен 4—6 мкм. Зерна вытянуты вдоль направления прокатки, их размер в продольном направлении ~7 мкм, коэффициент неравноосности 2.
После облучения пучком электронов в диапазоне плотности энергии в пучке Е8 = (15—25) Дж/см2 на поверхности образцов четко выделяются центральная и периферийная области воздействия пучка (рис. 3).
ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
47
Рис. 4. Изображения поверхности образцов титана после воздействия низкоэнергетичного сильноточного электронного пучка с плотностью энергии 25 Дж/см2. Наблюдается образование мартенсита сложной морфологии.
Существенные изменения микроструктуры модифицированных образцов обусловлены высокими скоростями нагрева и охлаждения материала при воздействии пучка. В результате высокоскоростного охлаждения (107—108 К/с) в поверхностном слое сплава образуется мартенсит сложной морфологии. Детальное исследование тонкой структуры поверхности модифицированных образцов с помощью ПЭМ (рис. 4) показало, что мартенситные пластины целиком заполняют зерно. Размеры пластин — от 0.1 до 0.3 мкм (преимущественно 0.1 мкм). В свою очередь, мартенситные пластины имеют собственную морфологию.
Электролитическое насыщение водородом титана в течение 4 ч в одномолярном растворе серной кислоты при плотности тока 0.01 А/м2 не приводит к существенному изменению параметров кристаллической решетки исходного образца. На дифрактограмме не наблюдается сдвигов положений всех рефлексов, т.е. при насыщении водородом в решетке титана межплоскостные расстояния существенно не меняются, происходит только уширение некоторых рефлексов [5]. Также отчетливо зафиксированы рефлексы гидридных фаз титана: 101 и 110 1Ш2, а также рефлексы 200 и 220 5 (рис. 5).
Аналогичные исследования были проведены для образцов титана, обработанных электронным пучком с энергией 25 Дж/см2. Из полученной ди-фрактограммы (рис. 6) видно, что гидридная фаза титана не образуется. Обработка электронным пучком образца титана приводит к модификации поверхности, что служит эффективным барьером для проникновения водорода в титан.
На станции прецизионной дифрактометрии ВЭПП-3 были измерены дифрактограммы образ-
30
40
50
60
29, град
Рис. 5. Дифрактограммы образцов титана до (1) и после (2) насыщения вдородом в течение 4 ч при значении тока в электролитической ячейке 1 мА/мм2.
цов титана, подвергнутых воздействию низко-энергетичного сильноточного электронного пучка интенсивностью от 5 до 200 импульсов. Поглощенная доза изменялась от 20 до 4000 Дж/см2 за 10 с. Результаты измерений представлены на рис. 7.
В начальном образце присутствуют гидридные фазы, связанные с прокатом титана. После первых пяти импульсов (100 Дж/см2) гидридные фазы пропадают, что указывает на отсутствие водорода в облученном образце. С увеличением поглощенной дозы увеличиваются параметры элементарной ячейки (рис. 8).
I 002
30
40
50
60
29, град
Рис. 6. Дифрактограмма образца титана: 1 — наводо-роженный титан; 2 — наводороженный титан, предварительно обработанный электронным пучком с энергией 25 Дж/см2.
002
48
ТИМЧЕНКО и др.
110 103 200 112
--t-JL±'_ • -*— Ал.
JÜL Л
^JU _L
JÜL
20
30
40
50
60
70 80 29, град
V, A3 36.1
36.0
35.9
35.8
35.7
35.6
35.5
35.4
Рис. 7. Дифрактограмма образца титана: 1 — исходный образец; 2 — после воздействия электронного пучка разной интенсивности: 5 имп.; 3 — 50 имп.; 4 — 100 имп.; 5 — 200 имп.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, экспериментально установлено, что в процессе обработки поверхности электронным пучком с плотностью энергии Es = = (15—25) Дж/см2 и длительностью импульса 50 мкс в титановых образцах формируется приповерхностный слой с модифицированным структурно-фазовым состоянием. При электролитическом насыщении водородом в образцах титана с модифицированной поверхностью гидридные фазы ТЩ15—ТШ2 не образуются. Модифицированный приповерхностный слой является эффективным барьером для проникновения водорода в объем материала.
Экспериментальные результаты, представленные в работе, получены с использованием оборудования двух мировых центров синхротронного излучения, где реализованы самые передовые ме-
0 5 50 100 200
Количество импульсов
Рис. 8. Изменение объема элементарной ячейки образца титана после обработки электронным пучком.
тодики исследовании процессов, происходящих в материалах при взаимодействии излучения с веществом. Эти результаты согласуют
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.