ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 66-71
УДК 669.15:620.186:539.12
ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОКОМПОЗИТНОЙ СТРУКТУРЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ТИТАНА, ЛЕГИРОВАННОГО ИТТРИЕМ
© 2015 г. К. В. Соснин1, С. В. Райков1, В. Е. Громов1, *, Ю. Ф. Иванов2, 3,
Е. А. Будовских1, Е. С. Ващук1
1Сибирский государственный индустриальный университет, 654007Новокузнецк, Россия 2Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055 Томск, Россия 3Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634034 Томск, Россия
*Е-таИ: Gromov@physics.sibsiu.ru Поступила в редакцию 13.08.2014 г.
Методом электровзрывного легирования титана иттрием сформированы поверхностные слои, содержащие оксиды и карбиды титана и иттрия. Последующее облучение электронным пучком привело к диспергированию структуры до нано- и субмикронного состояния. С помощью растровой электронной микроскопии выявлено формирование эвтектики двух типов. Эвтектика, обогащенная титаном, имеет глобулярную форму; эвтектика, обогащенная иттрием — пластинчатую. Формирование модифицированного поверхностного слоя (обогащенного иттрием, карбидами и оксидами титана и иттрия) приводит к увеличению микротвердости титана в три раза, коэффициент трения легированного слоя снижается более чем в два раза, скорость изнашивания уменьшается более чем в 2.8 раза.
Ключевые слова: титан, электровзрывное легирование иттрием, электронное облучение, модифицированный слой.
Б01: 10.7868/80207352815040198
ВВЕДЕНИЕ
Согласно диаграмме состояния, иттрий и титан полностью смешиваются в жидком состоянии, а при затвердевании образуют эвтектическую смесь двух ограниченных твердых растворов [1]. В твердом состоянии (ниже температуры 875°C) материал представлен смесью двух фаз: a-Ti и a-Y. Фаза a-Y образуется по обратной перитек-тической реакции при Т = 1440°C, эвтектика формируется при ~20 ат. % Ti и температуре 1355°C, фаза a-Ti образуется по эвтектоидной реакции при Т = 875°C. В связи с незначительной растворимостью иттрия и титана в твердом состоянии постоянные гексагональных кристаллических решеток a-Ti и a-Y мало изменяются при легировании одного металла другим [1]. Система Ti—Y, таким образом, относится к двойным системам с ограниченной растворимостью, не имеющим интерметаллических соединений, и представляет значительный интерес для разработки материалов с улучшенными свойствами [2, 3]. Получаемые на основе таких систем сплавы с высоким содержанием одного из компонентов, заведомо превышающим предел его растворимости во втором, дают возможность формировать сравнительно простым способом материалы с весьма высокими физическими и механическими характеристиками [3, 4].
Цель работы — анализ структуры поверхностного слоя системы титан—иттрий, сформирован-
ной при высокоскоростной обработке системы пленка/подложка.
МЕТОДИКА
В качестве материала основы служил технически чистый титан марки ВТ1-0 [5]. Формирование поверхностного сплава системы И—Y осуществляли по двухступенчатой схеме. На первом этапе использовали метод электровзрывного легирования (установка ЭВУ-60/10М в СибГИУ, г. Новокузнецк) [6]. В качестве взрываемого электропроводящего материала применялась фольга технически чистого титана ВТ1-0 массой 100 мг. На поверхность фольги в область взрыва помещали навеску наноразмерного порошка иттрия массой 400 мг. Время воздействия плазмы на поверхность образца ~100 мкс, поглощаемая плотность мощности на оси струи ~5.5 ГВт/м2, давление в ударно-сжатом слое вблизи поверхности ~12.5 МПа, давление остаточного газа в рабочей камере ~100 Па, температура плазмы на срезе сопла ~104 К, толщина поверхностного сплава ~30 мкм, толщина зоны термического влияния ~50 мкм. Последующую высокоскоростную термическую обработку сплава проводили с помощью высокоинтенсивного импульсного пучка электронов на установке "СОЛО" (ИСЭ СО РАН, г. Томск). Оценки показывают, что при времени воздействия пучка электронов на поверхность ме-
Рис. 1. РЭМ-изображение поверхностного слоя технически чистого титана после электровзрывного легирования титаном и иттрием.
талла 50—200 мкс скорость нагрева и охлаждения модифицированного слоя составляет ~106 К/с [7]. Режим облучения: энергия электронов 18 кэВ; плотность энергии пучка электронов 20 Дж/см2; длительность импульса 150 мкс; количество и частота следования импульсов 3 и 0.3 с-1 соответственно. Исследования морфологии поверхности, определение элементного и фазового состава осуществляли методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального анализа. Трибологические свойства поверхностного сплава изучали при сухом трении по схеме диск-шарик (контртело — шарик диаметром 3 мм из твердого сплава WC—Co, нагрузка 1 Н). Микротвердость легированного слоя в зависимости от расстояния до поверхности обработки определяли на микротвердомере ПМТ-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Электровзрывное легирование титаном и иттрием поверхности технически чистого титана приводит к формированию многослойной структуры. На поверхности формируется покрытие с высокоразвитым рельефом, элементами которого являются микрокапли, наплывы металла, микропоры и микротрещины (рис. 1). Микрорентгено-спектральный анализ данного покрытия выявил присутствие, кроме титана и иттрия, атомов кислорода и углерода (рис. 2), что может быть связано с легированием материала в условиях низкого вакуума.
Обнаруженные элементы распределены по поверхностному слою весьма неоднородно, что следует из анализа результатов, приведенных в таблице. Наиболее неоднородно в поверхностном объеме материала распределен иттрий, концентрация которого от области к области может различаться в 5—8 раз.
Существенно неоднородная многослойная структура выявляется и при анализе поперечных
шлифов легированного материала. Как правило, наблюдаются три слоя, отличающихся морфологией и размерами структурных элементов (рис. 3). Наиболее грубую структуру имеет поверхностный слой (обозначен цифрой I на рис. 3); слой III, примыкающий к слою термического влияния подложки (обозначен цифрой IV на рис. 3), является наиболее дисперсным.
Облучение образца после электровзрывного легирования высокоинтенсивным электронным пучком приводит к плавлению поверхностного слоя. Вследствие этого сглаживается рельеф поверхности, практически полностью исчезают микропоры, однако микротрещины остаются. На облученной поверхности формируется структура островкового типа (рис. 4). Методом микрорент-геноспектрального анализа показано, что основной объем поверхностного слоя обогащен иттрием (рис. 4, спектр 1), островки размером от 10 до 40 мкм обогащены титаном (рис. 4, спектр 2). Количественные результаты микрорентгеноспек-трального анализа участка материала, представленного на рис. 4а, приведены в таблице.
В объеме островков и в разделяющих их промежутках присутствуют глобулярные включения, размеры которых изменяются в пределах от 100 до 300 нм (рис. 5). В первом случае это включения иттрия (рис. 5), во втором — титана (рис. 4а). Анализируя результаты, представленные на рис. 5, можно отметить, что включения иттрия распола-
Результаты микрорентгеноспектрального анализа участков поверхности, выделенных на рис. 4а
Номер
Концентрация элемента, вес. %
участка Ti Y О С
1 18.0 67.3 12.5 2.2
2 85.3 7.2 5.7 1.8
3 37.6 45.4 13.5 3.5
Л
(в)
Элемент Концентрация, вес. %
и 62.8
Y 14.9
О 12.8
С 3.2
И 85.7
Y 2.4
О 7.7
С 4.2
И 34.1
Y 35.6
О 21.7
С 8.5
Рис. 2. Морфология поверхностного слоя технически чистого титана после электровзрывного легирования титаном и иттрием. Рамками выделены участки поверхности для микрорентгеноспектрального анализа.
гаются упорядоченным образом, образуя контур вокруг области титана (возможно, зерна) размером от 0.5 до 1.5 мкм.
Сопоставляя результаты, представленные на рис. 4 и рис. 5 и в таблице, можно заключить, что островки, обогащенные титаном (рис. 5), являются продуктом эвтектического превращения расплава, обогащенного титаном. На возможность формирования такой эвтектики при концентра-
ции иттрия 18 ат. % указано в работе [8]. Концентрация иттрия в островках, представленных на рис. 5, как следует из таблицы, несколько ниже и составляет 12 ат. %.
Весьма часто граница раздела островков, обогащенных титаном, является местом зарождения эвтектики титан/иттрий пластинчатого типа. Характерное изображение такой структуры приведено
Рис. 3. РЭМ-изображения поперечного сечения технически чистого титана после электровзрывного легирования титаном и иттрием при разном увеличении. Цифрами указаны подслои модифицированного поверхностного слоя.
Рис. 4. Морфология поверхности после электровзрывного легирования титана и облучения электронным пучком (а); энергетические спектры анализированных областей (б, в).
на рис. 6. Поперечные размеры элементов пластинчатой эвтектики изменяются от 200 до 300 нм.
Методом микрорентгеноспектрального анализа было установлено, что концентрация иттрия в эвтектике составляет 85 ат. %, титана 15 ат. %. Отметим, что при равновесной кристаллизации системы титан—иттрий эвтектика формируется при 80 ат. % иттрия [1].
Плавление высокоинтенсивным электронным пучком поверхностного слоя системы титан/иттрий, сформированной при электровзрывном легировании, сопровождается диспергированием структуры не только облученной поверхности, но и всего объема легирования толщиной от 30 до 40 мкм (рис. 7). Особенно заметно модифицируется структура поверхностного слоя толщиной от
10 до 15 мкм (рис. 7б, в), формирующегося, очевидно, в результате кристаллизации слоя, расплавленного электронным пучком.
Модифицирование поверхности титана комбинированным методом (облучение плазмой, формирующейся при электрическом взрыве токо-проводящего материала и последующая обработка высокоинтенсивным электронным пучком) сопровождается многократным повышением механических и трибологических характеристик материала. А именно, микротвердость поверхностного слоя толщиной 20 мкм увеличивается приблизительно в три раза (по сравнению с подложкой), коэффициент трения легированного слоя снижается б
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.