УДК 669.1 '6:539.216.2:543.429.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ СЛОИСТОЙ СИСТЕМЫ ИНТЕРМЕТАЛЛИД-ТВЕРДЫЙ РАСТВОР а-Ре(8п)
© 2010 г. А. К. Жубаев*, В. С. Русаков**, К. К. Кадыржанов***
*Актюбинский государственный университет им. К. Жубанова, Казахстан, 030000Актобе, ул. Бр. Жубановых, 263 **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Воробьевы горы ***Институт ядерной физики НЯЦРК, Казахстан, 050032 Алматы, ул. Ибрагимова, 1
Поступила в редакцию 22.10.2009 г.
Методами мессбауэровской спектроскопии на ядрах 119Яп и 57Бе проведены исследования термически индуцированных процессов фазообразования в двухслойных системах Яп (4 мкм)—Рг (10 мкм), полученных методом ионно-плазменного осаждения. Слоистые системы подвергались последовательным изотермическим отжигам при 550°С и 700°С. Установлено образование интерметаллидов БеЗп, Ре3$п2 и твердого раствора а-Рг(Яп). Показано, что характер фазовых превращений определяется изменением локальной концентрации олова в образце в процессе диффузии компонентов. Получены термически стабильные пространственно-неоднородные системы РгЯп/а^е(Яп) и Ре3$п2/а-Ре($п).
РАСЯ 76.80.+у, 68.35.Fx.
Ключевые слова: мессбауэровская спектроскопия, слоистая система, интерметаллид, твердый раствор, фазовые превращения, термическая стабилизация.
ВВЕДЕНИЕ
При получении высокотемпературных покрытий на сплавах с помощью традиционных методов химико-термической обработки [1, 2] возможны процессы взаимной диффузии компонентов. Поэтому в приповерхностном слое отсутствуют двухфазные области в двухкомпонентной системе и в диффузионной зоне обнаруживаются все фазы, присущие бинарной диаграмме состояния.
Ионные технологии (ионная имплантация, ион-но-плазменное осаждение и др.) являются активными методами формирования поверхностных слоев с высокой адгезией и требуемым химическим составом и позволяют, в принципе, реализовать идею создания физически и химически совместимых многослойных систем.
Диаграмма состояния бинарной системы Fe—Sn [3] характеризуется тем, что с повышением температуры наблюдается наличие областей существования твердого раствора а^е(Яп) с различными интерметаллическими соединениями. Поэтому, система Fe—Sn удобна как модельная для получения термически стабильного покрытия, состоящего из интерметаллида на подложке, представляющего собой твердый раствор а^е(Яп). При этом возможна стабилизация различных интерметаллидов при разных температурах.
Методами мессбауэровской спектроскопии на ядрах 119Яп и 57Ге проведены исследования термиче-
ски индуцированных процессов фазообразования в двухслойных системах Sn—Fe.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Подложки для исследований были приготовлены из бруска армко-железа (99.8% Fe) прокаткой на вальцах до толщины ~10 мкм и последующего гомогенизирующего отжига при температуре 850°С в течение 2 ч с целью снятия напряжений и дефектов, наведенных при прокатке. На полученные таким образом фольги, методом ионно-плазменного осаждения наносилось Яп покрытие толщиной 4 мкм. При получении слоистых систем использовали олово с чистотой 99.95 ат. %.
Термические отжиги (Тотж = 550°С и Тотж = 700°С) двухслойных систем Яп (4 мкм)—Fe (10 мкм) проведены в вакуумной печи с остаточным давлением 5 х х 10-6 мм рт. ст. Скорость нагрева и охлаждения составляла 10°С/мин. После каждого отжига снимались мессбауэровские спектры ядер 119Яп и 57Ге в геометрии "на поглощение" при комнатной температуре. Мессбауэровские исследования с регистрацией у-квантов в геометрии "на прохождение" (МС) были выполнены на спектрометре МЯ1104МЕ при комнатной температуре. Источниками у-квантов служили 57Со(КИ) активностью ~10 мКи и 119Яп(ВаЯп03) активностью 2 мКи. Калибровка спектрометра осуществлялась с помощью эталонного образца а^е и ВаЯп03. Обработка экспери-
V, мм/с
Рис. 1. Мессбауэровские спектры ядер 1198п в слоистой системе 8п (4 мкм)—Бе (10 мкм) после изотермических отжигов при Тотж = 550°С.
ментальных спектров проводилась методами модельной расшифровки (для 1198п) и восстановления функций распределения сверхтонких параметров (для 57Ре), реализованных в программном комплексе МЗТоок [4].
Модельная расшифровка экспериментальных спектров была проведена поэтапно. Вначале был смоделирован парциальный спектр атомов олова с учетом априорной информации о характеристиках (спин I, дипольный магнитный момент ц, квадру-польный электрический момент Q) основного и возбужденного состояний ядра 1198п, характеристиках мессбауэровского перехода (энергия Ey, мульти-польность L, тип излучения). Также были использованы данные о величинах и направлениях магнит-
ного поля Hn, тензоре ГЭП {Vj}, параметре асимметрии п и трех углах (а, в, у), задающих ориентацию тензора относительно системы координат. На основе вычисленных значений энергий и относительных интенсивностей переходов с помощью программы HAMILTON [4] были рассчитаны параметры спектра — положения и амплитуды компонент сверхтонкой структуры. В результате полученных данных были преобразованы матрица амплитуд TA и матрица скоростей TV, используемые при реализации "жестких" связей при поиске оптимальных значений параметров мессбауэровского спектра при обработке программой SPECTR [4]. С учетом внесенных изменений была проведена обработка экспериментальных спектров программой SPECTR.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Последовательные изотермические отжиги при 550C. В соответствии с диаграммой состояния [3] в системе Fe—Sn существуют пять интерметаллических соединений: FeSn2, FeSn, Fe3Sn2, Fe5Sn3 и Fe3Sn. Первые четыре из вышеприведенных ин-терметаллидов образуются по перитектической реакции при температурах T = 513, 770, 806 и 910°C соответственно, в то время как интерметаллид Fe3Sn образуется по перетектоидной реакции при температуре 838°С. Растворимость Sn в а-Fe становится заметной только при температуре ~500°С и возрастает до 10% при 765°С. В твердой фазе растворимость Fe в Sn не наблюдается, а в жидкой фазе Sn при повышении температуры до 800°C достигает 3.2%.
На рис. 1 представлены мессбауэровские спектры ядер 119Sn, полученные после последовательных изотермических отжигов исследуемой слоистой системы Sn (4 мк^—Fe (10 мкм). Видно, что картина образующихся фаз после 0.5 ч отжига при 550°C с увеличением времени отжига существенно не меняется. Модельная расшифровка экспериментальных спектров показала наличие двух парциальных спектров — квадрупольного дублета и секстета, которые соответствуют атомам олова в соединении FeSn, занимающим две кристаллографически неэквивалентные позиции — (1a) и (2d). На рис. 1 приведены позиции линий для парциальных спектров.
В результате модельной расшифровки всех экспериментальных мессбауэровских спектров ядер 119Sn была получена зависимость относительной интенсивности парциальных спектров для образующихся фаз от температуры отжига (рис. 2).
Известно, что интенсивность спектра для достаточно тонких образцов пропорциональна числу мессбауэровских ядер. Если предположить равенство вероятностей эффекта Мессбауэра для различных неэквивалентных позиций, то относительная интенсивность парциального спектра равна относительной заселенности мессбауэровскими атомами
этих позиций. Поэтому полученные зависимости можно интерпретировать как зависимости относительного содержания фаз в атомных единицах Sn.
На рис. 2 видно, что после отжига в течение 0.5 ч относительное содержание атомов олова в позиции (1a) составляет «20% и в результате последующих отжигов практически не меняется. Штриховыми линиями приведено относительное содержание атомов олова в различных позициях в FeSn [5].
Для атомов олова, находящихся в позициях (1a) и (2d) соединения FeSn, которым соответствует секстет и дублет, рассчитаны изомерный сдвиг 5, квад-рупольное смещение 8 и эффективное магнитное поле Hn на ядрах 119Sn. Неизменность значений параметров 5, 8 и Hn от времени отжига позволяют говорить о термической стабилизации интерметалли-да FeSn на поверхности образца.
Были проведены исследования данной слоистой системы с помощью метода мессбауэровской спектроскопии на ядрах 57Fe. На рис. 3а представлены спектры слоистой системы Sn (4 мкм)—Fe (10 мкм) после последовательных изотермических отжигов при температуре 550°C. Видно, что после 0.5 ч отжига на фоне интенсивных шести линий (секстета) от a-Fe появились парциальные спектры другой магнитоупорядоченной фазы. С увеличением продолжительности отжига картина практически не меняется.
В работе [6] было показано, что атомы железа в соединении FeSn занимают три эквивалентные позиции (h1, h2 и h3), которым соответствуют зеема-новские секстеты с 5 = 0.68 ± 0.02 мм/с (относительно нитропруссида натрия), А = —0.45 ± 0.02 мм/с и внутренними полями на ядре H1 = 120.9 ± 1.5 кЭ, H2 = 113.6 ± 1.5 кЭ и H3 = 101.4 ± 1.5 кЭ соответственно.
С учетом вида экспериментальных спектров, обработка была проведена методом восстановления двух функций распределения магнитного поля Hn в интервалах 90 кЭ < Hn < 130 кЭ и 280 кЭ < Hn < 360 кЭ. На рис. 3б видно, что восстановленная первая функция распределения для слоистой системы Sn—Fe после 0.5 ч отжига имеет полимодальный вид. С увеличением времени отжига вид распределения существенных изменений не претерпевает. Стрелками показаны значения полей, характерных для FeSn [6]. Очевидно, что вновь образовавшаяся фаза является интерметаллидом FeSn.
На основании результатов обработки мессбауэ-ровских спектров была получена зависимость относительных интенсивностей парциальных спектров образцов различных фаз от времени отжига (см. рис. 4).
Для достаточно тонких образцов интенсивность спектра пропорциональна числу мессбауэровских ядер. Тогда из предположения равенства вероятности эффекта Мессбауэра для различных фаз следует, что на рис. 4 представлена зависимость относитель-
I, % 100
80
шп ^ггт Ш
i FeSn (2d) —Ш
60
40
20
FeSn (1a)
12 , h
16
20
Рис. 2. Зависимости относительных интенсивностей I парциальных мессбауэровских спектров ядер 1198п в интерметаллиде Бе8п от времени термического отжига при 550°С.
ного содержания фаз в атомных единицах железа. Видно, чт
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.