научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ИЗ АМОРФНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ИЗ АМОРФНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2011, том 56, № 3, с. 497-503

РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ

УДК 538.911+539.25

ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ИЗ АМОРФНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ © 2011 г. П. А. Волков1, Е. В. Тодорова 2, Н. Д. Бахтеева2, А. Г. Иванова3, А. Л. Васильев1-

1Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва 2Институт металлургии и материаловедения РАН, Москва 3Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: a.vasiliev56@gmail.com Поступила в редакцию 15.09.2010 г.

На алюминиевом аморфном сплаве, легированном переходными (Бе, N1) и редкоземельным (Ьа) металлами, проведено систематическое исследование структурных превращений, сопровождающих различные способы приготовления объектов для просвечивающей электронной микроскопии: механический разрыв лент, электрохимическое утонение, травление ионами Аг+ с переменными параметрами облучения. На основании результатов рентгеноструктурного и калориметрического анализов структуры в сопоставлении с данными электронно-микроскопического исследования выявлен оптимальный способ приготовления объектов, обеспечивающий минимальные искажения в структуре метастабильных аморфных сплавов с низкой температурой кристаллизации.

ВВЕДЕНИЕ

Аморфные алюминиевые сплавы обладают рядом уникальных свойств, необходимых при создании новых конструкций в аэрокосмической, автомобильной промышленности и ряде других областей. Во-первых — это сочетание низкого удельного веса и высокой прочности, во-вторых — коррозионной стойкости, пластичности, термической стабильности [1, 2]. Несмотря на то что ряд алюминиевых сплавов с переходными (ПМ) и редкоземельными (РМ) металлами А1-ПМ-РМ (где ПМ - N1, Бе, Со; РМ - У, Оё, Ьа) изучен достаточно глубоко [3-7], множество вопросов по созданию и использованию новых сплавов, например условия их получения, повышение термической стабильности, возможность улучшения механических свойств требуют более глубокого анализа. Ответ на эти вопросы дает комплексное исследование микроструктуры и свойств сплавов. Одним из основных методов, позволяющих количественно описать сложные структуры сплавов, исследовать фазовый состав, морфологию фаз, дефекты в сплавах на атомном уровне, а также процесс кристаллизации, является просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) в сочетании с микроанализом и электронной дифракцией. Для таких исследований необходимо приготовить объекты толщиной не более 100 нм, прозрачные для электронов с энергией 100— 300 кэВ, а для исследований с высоким разрешением, т.е. на уровне кристаллической решетки, толщина объекта не должна превышать 10 нм. В процессе приготовления объектов для ПЭМ важ-

но сохранить исходную структуру особенно метастабильных сплавов, к которым относится рассматриваемый класс материалов — сплавы в аморфном состоянии.

Аморфные сплавы получают быстрым охлаждением расплава. Наиболее распространенным методом быстрого охлаждения является метод получения аморфных лент литьем расплава на быстро вращающееся охлаждаемое металлическое колесо (melt spun ribbon), при котором получаются ленты толщиной 1—100 мкм и шириной 1—10 мм.

Известными методами подготовки из аморфных лент образцов для ПЭМ являются химическое или электролитическое утонение, ионное травление, механическое утонение (расщепление слоистых материалов, срез, для тонких пленок разрыв) [8, 9]. Сопутствующие тепловые (разогрев ленты) или деформационные эффекты, как известно [10], могут вызывать в структурно нестабильных аморфных лентах существенные структурные изменения (релаксацию, кристаллизацию), не связанные с их предварительной обработкой. В связи с этим выбор способов приготовления объектов для ПЭМ является ответственным этапом структурных исследований для получения достоверных результатов, свидетельствующих о процессах, происходящих в сплавах при различных видах предварительной обработки. Систематические исследования по этому вопросу в литературе отсутствуют.

Настоящая работа посвящена изучению структурных и фазовых превращений, развивающихся

I, отн. ед.

15

25

35

45

55 65 29, град

Рис. 1. Дифрактограмма сплава А185М8РезЬа4 после закалки со скоростью охлаждения 106 К/с.

в аморфном алюминиевом сплаве, легированном ПМ и РМ, в процессе утонения различными методами с целью выбора оптимального способа приготовления объектов исследования для ПЭМ.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Из сплава Al85Ni8Fe3La4 методом высокоскоростной закалки со скоростью охлаждения 106 К/с получена лента толщиной 15—25 мкм и шириной 1 мм с рентгеноаморфной структурой. Для электронно-микроскопического исследования объекты готовили по следующим методикам.

Метод А: механический разрыв ленты (образец 1).

Метод Б: электрохимическое утонение ленты на установке Tenupole 5 (Straers, Дания) в охлажденном до —5°С электролите, в состав которого входят 10% хлористой кислоты (HClO4) + 90% этилового спирта (C2H5OH), при напряжении 20.5 В, токе 58 мА (образец 2).

Метод В: травление ионами Ar+ с переменными параметрами облучения: U (ускоряющая энергия пучка ионов); а (угол падения — угол между направлением падающего пучка ионов Ar+ и поверхностью образца), т (время травления) без охлаждения на установке PIPS 691 (Gatan, Wor-rendail PA, США) или на установке Fishione 1010 (Fishione, США) с охлаждением или без охлаждения предметного столика азотом.

При ионном травлении использовали следующие параметры обработки:

образец 3 — U = 2кВ; а = 6°; т = 19 ч; без охлаждения;

образец 4 — U = 5кВ; а = 6°; т = 8 ч; без охлаждения;

образец 5 — U = 5кВ; а = 6—8°; т = 4 ч; охлаждение азотом.

Ионное травление прерывали в момент появления отверстия в образце.

Структуру полученных указанными методами образцов исследовали в электронном микроскопе Titan 80—300 (FEI, США) с ускоряющим напряжением 300 кВ, оборудованном катодом с полевой эмиссией (типа Шоттки) и объективной линзой SuperTwin с коэффициентом сферической аберрации 1.2 мм. Указанное оснащение микроскопа позволяет получить разрешение по точкам на уровне 0.21 нм и информационный предел разрешения 0.068 нм (при использовании образца монокристаллического Au), который является тест-объектом.

Применение ПЭМ позволяет получить информацию о фазовых и структурных превращениях в локальных объемах исследуемых объектов. Для получения объемных характеристик, описывающих фазовые и структурные превращения при нагреве аморфной ленты, использовали методы дифференциальной калориметрии (установка SETARAM Setsys Evolution 1750, скорость нагрева 20°/мин) и рентгеноструктурного анализа (установка ДРОН-3М в Си^а-излучении). Фазовый анализ проводили с применением программы XRAYAN и базы данных PDF (Powder Diffraction File).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что сплав после закалки имеет рентге-ноаморфную структуру, для которой характерно наличие на дифрактограмме двух гало в угловых интервалах 20 = 5°-25° и 20 = 32°-48° (рис. 1).

Каждое гало представляет собой несимметричный дуплет из двух размытых максимумов интенсивности, обусловленных, по-видимому, ближним упорядочением в расположении атомов, при этом в целом сплав остается неупорядоченным. В угловом интервале 20 = 32°—48° наивысшие точки размытых максимумов соответствуют межатомным расстояниям d1 = 0.238 и d2 = 0.208 нм. Эти значения близки межплоскостным расстояниям в направлениях <111) и <002) кристаллического алюминия с ГЦК-решеткой.

Максимум интенсивности гало в угловом интервале 20 = 15°—25° соответствует межатомному расстоянию d3 = 0.405 нм, что существенно превышает известные межплоскостные расстояния в алюминии. Полученное значение наиболее близко к одному из межплоскостных расстояний ин-терметаллида La3Aln с ОЦК-решеткой или Al3Ni с орторомбической решеткой. Таким образом, наблюдаемые состояния могут отражать начальную стадию расслоения и ближнего упорядочения.

5

Исследуемый сплав после закалки представляет собой пересыщенный твердый раствор на основе алюминия, легированный никелем, железом и лантаном. Высокая скорость охлаждения позволила существенно расширить концентрационный интервал растворимости легирующих элементов в алюминии по сравнению с их известной равновесной концентрацией: 0.01 ат. % Ni, 0.03 ат. % Fe, 0.01 ат. % La [11]. Малая равновесная концентрация легирующих элементов и высокое пересыщение твердого раствора алюминия приводят к частичному (в небольшом количестве) выделению первичных интерметаллидов в аморфной матрице в процессе охлаждения, что подтверждено методами рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализов.

Для определения термической стабильности исследуемого сплава применяли метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), полученные результаты приведены на рис. 2. На калориметрической кривой наблюдаются два экзотермических пика тепловыделения, свидетельствующих о развитии двухстадийной кристаллизации при изохронном нагреве закаленного сплава со скоростью 20°/мин. Температуры начала первой и второй стадии кристаллизации составили Т = 276 и Т2 = 350°С, а температура в максимуме пиков Тр1 = 283 и Тр2 = 363°С соответственно. Асимметрия наблюдаемых пиков обусловлена многофазностью превращений на каждом этапе развития кристаллизации.

Для сравнения структуру исследуемого сплава изучали указанными методами после изотермических отжигов в интервале температур от 100 до 400°С при выдержках от 15 до 60 мин. Установлено, что в результате изотермического отжига температура начала кристаллизации понижается до 250°С. При этом в структуре сплава методами рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализов наблюдали наряду с аморфной матрицей кристаллизацию с образованием наноразмерных кристаллических фаз как твердого раствора на базе алюминия, так и интерметаллидов на основе Al—Ni, Al—Fe, Al—La. Подробно фазовые и структурные превращения при термической обработке описаны ранее в [12] и задачей данного исследования не являются.

Объекты для проведения анализа ПЭМ закаленного сплава с аттестованной методами рентгеноструктурного и ДСК анализов структурой готовили по различным методикам. ПЭМ-изображения лент предс

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 «Химия»