ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 3, с. 54-63
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.7176:539.216.2:548.5
ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В СЛОИСТОЙ ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМЕ А1ША1
© 2004 г. С. И. Богатыренко**, А. В. Возный**, Н. Т. Гладких*, А. П. Крышталь*
*Харъковский национальный университет имени ВН. Каразина, 610077 Харьков, пл. Свободы, 4 **Научный физико-технологический центр, 61145 Харьков, ул. Новгородская, 1 Поступила в редакцию 21.07.2003 г.
Анализируются возможности определения переохлаждения при кристаллизации бинарных сплавов, компоненты которых практически нерастворимы друг в друге в твердом состоянии при широкой области расслоения в жидком состоянии, с использованием слоистых пленочных систем, создаваемых путем последовательной конденсации компонент при испарении их из независимых источников. Приводятся результаты исследования температурного гистерезиса плавление - кристаллизация и величины переохлаждения при кристаллизации фазы на основе висмута, находящейся в контакте с твердым алюминием, для слоистой пленочной системы А1/Ш/Л1. Обсуждаются происходящие при этом процессы.
Для понимания явлений зародышеобразова-ния при фазовых переходах жидкость-кристалл и для выяснения его влияния на микроструктуру и свойства образующихся при затвердевании стабильных или метастабильных фаз важно изучение величины переохлаждения при кристаллизации. Для достижения предельных переохлаждений используются как методы с применением очень больших скоростей охлаждения, приводящих к подавлению гетерогенного зародышеобразова-ния, так и методы, основанные на управлении процессом зародышеобразования путем удаления потенциальных центров кристаллизации.
Широкое применение для определения переохлаждения нашел предложенный Тернбалом [1] метод разбиения расплава на мелкие капли и наблюдения за их кристаллизацией. Эффективным путем увеличения достижимых переохлаждений является бесконтейнерное проведение процесса кристаллизации расплавов в ультрачистой среде. Такие условия обеспечиваются при свободном падении капли в башнях сбрасывания [2] и при удержании расплава во взвешенном состоянии с помощью различных бесконтактных воздействий (например, электромагнитного или акустического), в том числе и в условиях невесомости в космосе.
Весьма перспективным для определения переохлаждений при кристаллизации является использование островковых вакуумных конденсатов на различных подложках [3, 4]. Образующиеся на подложке в начальный период островки конденсированной фазы, в силу зависимости температуры плавления малых частиц от их размера, являются жидкими при температуре ниже темпе-
ратуры плавления Ts макроскопических образцов. В процессе конденсации при увеличении размера островков они сохраняются в переохлажденном состоянии до температуры Tg, соответствующей переохлаждению при кристаллизации на данной подложке. При этом естественно, что температура Tg и переохлаждение (AT = Ts - Tg) зависят от материала подложки и условий конденсации. В качестве меры влияния материала подложки на величину переохлаждения обычно используется угол смачивания ее жидкими островками. Таким путем проведены исследования переохлаждения ряда металлов как легкоплавких, так и тугоплавких [3, 4, 5], и отдельных бинарных систем [6] на различных подложках. Выполненные исследования позволили впервые получить зависимость переохлаждения от угла смачивания, которая указывает, что предельное переохлаждение при приближении угла смачивания к 180°, вероятно, близко к 0.4Ts. Необходимо отметить, что общим для этих исследований является то, что образование и температурная устойчивость жидкой фазы при конденсации, т.е. величина переохлаждения, весьма чувствительны к условиям препарирования (давление и состав остаточных газов, скорость конденсации) островковых конденсатов. Поэтому для получения однозначных результатов такие эксперименты проводились в сверхвысоком вакууме, создаваемом безмаслянными средствами откачки, при больших скоростях конденсации. В этих условиях единственной твердой "примесью", определяющей величину переохлаждения, является подложка, мерой влияния которой, как отмечалось выше, служит угол смачивания ее жидкими ост-
ровками. Однако представляется, что в качестве более полной обобщенной характеристики, определяющей переохлаждение островкового конденсата на подложке, вероятно, должна рассматриваться соответствующая фазовая диаграмма "островковый конденсат - подложка". Это, по-видимому, оправдано, если учесть, что часто имеет место взаимодействие конденсируемого материала с подложкой. При таком подходе вакуумные конденсаторы могут оказаться удобными для исследования переохлаждения при кристаллизации бинарных сплавов, компоненты которых практически нерастворимы в твердом состоянии и имеют область несмешиваемости в жидком состоянии. При этом можно отметить, что по исследованию переохлаждений чистых металлов с использованием вакуумных конденсатов на различных нейтральных аморфных подложках, а также других методов накоплен к настоящему времени значительный материал. В то же время, несмотря на важность по изучению переохлаждения при кристаллизации эвтектики, находящейся в контакте с одним из твердых компонентов, имеется лишь небольшое количество данных. В последние годы плавление и кристаллизация в таких бинарных системах, в которых второй, легкоплавкий, компонент распределен в матрице из более тугоплавкого компонента, активно изучаются с использованием образцов этих систем, получаемых путем механического измельчения смесей порошков соответствующих компонент с последующим прессованием или путем закалки из однофазного жидкого состояния от высоких температур [7, 8]. При приготовлении образцов путем механического измельчения возможно попадание нерастворимых твердых тугоплавких примесей в смесь высокочистых исходных порошков компонент [7, 8].
Очевидно, что при препарировании вакуумных конденсатов влияние этих факторов минимизируется. Действительно, в качестве подложки можно использовать более тугоплавкий компонент и исследовать формирование и устойчивость жидкой фазы при конденсации на такой подложке с градиентом температур второго, более легкоплавкого, компонента. И таким путем можно получить информацию о переохлаждении сплава, богатого легкоплавким компонентом и находящегося в контакте с твердым вторым компонентом.
Имеется и другая возможность, а именно представляется целесообразным для исследования плавления и кристаллизации в бинарных системах использовать слоистые пленочные системы, создаваемые путем последовательной конденсации чистых компонент при испарении их из независимых источников. В таких системах пленка легкоплавкого компонента может находиться, например, между пленками более тугоплавкого компонента. Изменяя соотношения толщин пле-
нок, можно обеспечить необходимый общий состав системы. Естественно, что температура конденсации при препарировании слоистой системы должна выбираться из условия предотвращения взаимодействия между пленками компонент. Последующие после конденсации нагрев и охлаждение такой системы позволяют определить температуру плавления эвтектики на основе более легкоплавкого компонента и величину переохлаждения при ее кристаллизации. При этом практически полностью исключается влияние посторонних твердых нерастворимых примесей, а проведение конденсации в условиях высокого вакуума с большими скоростями осаждения - влияние газовых растворимых примесей. В этом случае единственной твердой примесью, определяющей переохлаждение, является пленка из тугоплавкого компонента.
Объекты и методика экспериментов
Для реализации и проверки изложенных соображений в качестве объекта исследований была выбрана бинарная система Al-Bi, компоненты которой в твердом состоянии практически нерастворимы друг в друге и образуют фазовую диаграмму эвтектического типа со значительной областью расслоения в жидком состоянии [9]. Эвтектика, формирующаяся на основе висмута, по составу и температуре плавления близка к чистому висмуту.
В соответствии с поставленной задачей проводились эксперименты различных типов. Для определения граничной температуры T , т.е. переохлаждения при конденсации Bi на Al-подложке, эксперименты проводились следующим образом. На полированную пластину размером 30 х 150 мм2 и толщиной 3 мм из нержавеющей стали, вдоль которой создавался перепад температур в интервале от комнатной температуры до ~570 К, наносился в вакууме тонкий слой углерода и затем конденсировалась пленка Al толщиной примерно 1000-2000 А. Сразу после прекращения нанесения алюминия конденсировался висмут. Толщина пленок висмута не превышала 1000 А. Алюминий и висмут чистотой 99.99% испарялись из независимых вольфрамовых источников. Температура вдоль подложки измерялась при помощи хромель-алюмелевых термопар. Положение температуры Tg определялось по изменению микроструктуры пленок выше и ниже ее [3]. Эксперименты проводились в стандартной вакуумной установке ВУП-5М при давлении остаточных газов (1-3) х 10-6 мм рт. ст.
Переохлаждение при кристаллизации сплавов, богатых висмутом и находящихся в контакте с твердым алюминием, определялось путем измерения электросопротивления в слоистой пленочной системе Al/Bi/Al. Эксперименты проводились следующим образом. На стеклянную пластинку размером 32 х 32 мм2 в вакууме путем термичес-
Рис. 1. Электронно-микроскопический снимок частиц Ы на А1 подложке выше температуры Т^.
кого испарения алюминия наносились контактные дорожки. Используемая система расположения контактных дорожек позволяла в одном эксперименте одновременно в совершенно идентичных условиях проводить измерения электросопротивления в трех слоистых пленочных системах. Подложка с контактами крепилась к медному блоку-нагревателю с соответствующей маской, обеспечивающей конденсацию лишь на трех заданных участках подложки. Эксперименты проводились в вакуумной установке с безмаслянной системой откачки при давлении остаточных газов ниже 1 х х 10-7 мм рт. ст. Между подложкой и испарителями алюминия и висмута находилась система подвижных экранов,
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.