ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 22-30
УДК 539.172.3:539.2
ТЕРМИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
В СЛОИСТОЙ СИСТЕМЕ Fe-Al
© 2004 г. В. С. Русаков1, К. К. Кадыржанов2, Е. Е. Суслов2, Д. А. Плаксин1,
Т. Э. Туркебаев2
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, Москва, Россия 2Институт ядерной физики НЯЦ РК, Алматы, Казахстан Поступила в редакцию 11.11.2003 г.
Методами мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа исследованы термически индуцированные фазовые преобразования в слоистой системе железо-алюминий, полученной маг-нетронным осаждением алюминия на фольгу a-Fe. Установлена последовательность и определены характерные времена фазовых преобразований при последовательном изотермическом отжиге при температуре б00°С. Показано, что направленность фазовых преобразований определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их взаимной диффузии. Определена концентрация атомов Al в растворе a-Fe(Al) в приповерхностных слоях и объеме образца в зависимости от времени изотермического отжига.
ВВЕДЕНИЕ
Метод ионно-плазменного осаждения пленочных покрытий широко применяется для модификации приповерхностных свойств металлических материалов. После нанесения покрытий используется термическая обработка материала для укрепления связи приповерхностного слоя с подложкой, образования кристаллической структуры и гомогенизации фаз в диффузионной зоне. Исходное неравновесное пространственное распределение атомных компонентов определяет направленность термически индуцированного процесса фазовых преобразований [1], которая может привести к получению термически стабильных систем с неоднородным распределением фазового состояния по глубине образца [2, 3] и необходимыми приповерхностными свойствами.
Соединения системы железо-алюминий обладают комплексом ценных физико-химических свойств: высокими величинами теплопроводности, твердости, жаропрочности и окалиностойкос-ти. Все это позволяет использовать их в качестве защитных покрытий. В то же время кинетика и механизм процессов диффузии и направленность фазовых преобразований в слоистых системах железо-алюминий при термической обработке изучены недостаточно хорошо.
Целью настоящей работы являлось исследование методами мессбауэровской спектроскопии с привлечением рентгенофазового анализа термически индуцированных фазовых преобразований в слоистой системе железо-алюминий, полученной методом магнетронного осаждения.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения исследований были приготовлены тонкие фольги a-железа. Толщина фольги ~10 мкм выбиралась из соображений эффективного использования методов мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа, поскольку в этом случае, комбинируя эти методы, можно получить информацию о фазовых преобразованиях как в объеме, так и в приповерхностных слоях исследуемого образца. Фольги получались путем холодной прокатки таблетки a-Fe с помощью вальцов из закаленной углеродистой стали. При этом проводился рекристаллизацион-ный отжиг в вакууме 6.65 х 10-4 Па в течение 3 ч.
Нанесение алюминия на подложку осуществлялось методом магнетронного осаждения. На-пылительная камера откачивалась до давления ~10-3 Па и промывалась аргоном, который очищался до чистоты 99.99% с помощью газоочистительного магнетрона, распыляющего титан. При парциальном давлении очищенного аргона ~2.6 х х 10-1 Па сначала в течение 30 мин проводилась ионная очистка напыляемой поверхности образца, а затем - напыление алюминия. Температура подложки во время напыления не превышала 150°C. Толщина осажденных слоев определялась по току и времени осаждения и составляла 2.2 мкм. Контроль толщины осуществлялся как весовым методом, так и с помощью резерфордовского обратного рассеяния протонов. Последовательный изотермический отжиг осуществлялся в вакууме 6.65 х 10-4 Па при температуре Тотж = 600°С, время отжига варьировалось в интервале 1-190 ч. Мессбауэровские исследования проводились методом регистрации у-квантов в геометрии поглоще-
ния (МС-спектры) и методом регистрации электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния (КЭМС-спектры). В первом случае мессбауэров-ская спектроскопия дает информацию о фазовом состоянии, усредненную по всей толщине образца, во втором - информацию о тонком (~0.1 мкм) приповерхностном слое образца. В исследованиях использовался источник 57Co в матрице Rh активностью ~5 мКи. Калибровка мессбауэровского спектрометра осуществлялась с помощью эталонного образца a-Fe. Для обработки и анализа мессбауэ-ровских спектров использовался программный комплекс MSTools [4].
Рентгенофазовый анализ (РФА) отожженных образцов проводился на дифрактометрах ДРОН-2 и D8 ADVANCE с использованием излучения Cu^a. Дифрактограммы снимались в диапазоне углов 26 = 20°-102°, для идентификации рефлексов использовалась база данных International Center for Diffraction Data (JCPDS).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Система Fe-Al имеет в своем составе пять интерметаллических соединений - Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 и высокотемпературную е-фазу Fe2Al3 [5]. Фаза Fe3Al обладает широкой областью гомогенности, расширяющейся с понижением температуры, для нее характерно существование в двух состояниях - магнитоупорядоченном и парамагнитном. Остальные четыре фазы - FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 и е-фаза, которые будем называть далее высокими алюминидами железа, парамагнитны во всех концентрационных и температурных диапазонах существования фаз.
МС-спектры ядер 57Fe в исследованной двухслойной системе Al(2.2 мкм)-Fe(10 мкм) представляют собой совокупность парциальных спектров магнитоупорядоченного и парамагнитного типов с уширенными резонансными линиями (рис. 1). Каждый из парциальных спектров является суперпозицией большого числа либо зеема-новских секстетов, либо квадрупольных дублетов с близкими значениями сверхтонких параметров. Такие особенности парциальных спектров являются характерными для локально неоднородных систем [4]. В связи с этим обработка и анализ спектров проводился методом восстановления нескольких функций распределения сверхтонких параметров [6], реализованным в программе DIS-TRI, входящей в программный комплекс MSTools.
В соответствии с литературными данными о сверхтонких параметрах мессбауэровских спектров ядер 57Fe в алюминидах железа, полученных при комнатной температуре [7-9], нами были восстановлены три независимые функции распределения - одна (А) квадрупольного смещения е и две (B и C) эффективного магнитного поля Hn. Функ-
ция распределения квадрупольного смещения p(e) и соответствующий ему парциальный спектр парамагнитного типа A относятся к атомам Fe в высоких алюминидах (FeAl-J. Функция распределения эффективного магнитного поля p(Hn) в интервале от 0 до 350 кЭ при сдвиге мессбауэровской линии 5 Ф 0 мм/с (относительно эталонного образца a-Fe) и соответствующий ему спектр магнитоупорядоченного типа B относятся к атомам Fe в соединении Fe3Al и растворе алюминия в железе a-Fe(Al) с атомами алюминия в ближайшем окружении. Функция распределения эффективного магнитного поля p(Hn) в интервале от 310 до 350 кЭ при сдвиге линии 5 = 0 мм/с и соответствующий ему парциальный спектр магнитоупорядоченного типа С относятся к атомам Fe в растворе a-Fe(Al) без атомов алюминия в ближайшем окружении и чистом a-Fe.
Результат восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных мессбауэровских спектров A, B и C ядер 57Fe в слоистой системе Al(2.2 мкм)-Fe(10 мкм) при соответствующих временах последовательных изотермических отжигов показан на рис. 2. Анализ восстановленных функций распределения позволил получить значения относительных интенсивностей и параметров сверхтонких взаимодействий для всех парциальных спектров слоистой системы железо-алюминий.
На рис. 3 показана зависимость относительных интенсивностей I парциальных МС-спектров от времени отжига ¿отж. На рисунке видно, что относительная интенсивность парциального спектра ядер 57Fe в высоких алюминидах железа A в начале отжига составляет 12-13% и практически не меняется в течение первых 5 ч, однако после ¿отж = 10 ч он полностью исчезает. В этом же интервале времени отжига наблюдается резкое увеличение (с 18% до 71%) относительной интенсивности парциального спектра В, сопровождаемое резким уменьшением (с 70% до 28%) относительной интенсивности парциального спектра С. При дальнейшем продолжении отжига до ¿отж = 190 ч происходит слабое изменение интенсивностей парциальных спектров магнитоупорядоченного типа B и C. Поведение функции распределения p(Hn) для парциального спектра B в области значений полей Hn < ~250 кЭ (рис. 2) с увеличением времени отжига указывает на то, что в процессе последовательного изотермического отжига наблюдается сначала формирование фазы Fe3Al, а затем ее растворение при готж = 40 ч.
В соответствии с принятой нами кристаллохи-мической идентификацией парциальных спектров можно утверждать, что в начале отжига, при ¿отж<10 ч, сохраняется слой чистого Al на поверхности a-Fe, при этом происходит интенсивное превращение Al в FeAlx, FeAlx в Fe3Al и Fe3Al в раствор a-Fe(Al) (рис. 3). При временах отжига в
N % 100 96 92 88 100 96 92 88 100
96 92
100 98 96 94 100 98 96 94 100 98 96 94 100 98 96 94 100
98
96 100
99
98
97 100
99
98
97 100
98 96 94
100 98 96
у-у^Г-уу
1 ч
5 ч
10 ч
20 ч
40 ч
:..........
120 ч
150 ч
170 ч
190 ч
-9
-6
-3
9
V, мм/с
Рис. 1. МС-спектры ядер в слоистой системе Al(2.2 мкм)-Fe(10 мкм) после последовательных изотермических отжигов при температуре 600°С.
0
Р(е), Р(8) 0.02 г А
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0 0.02
0
0 0.3 0 0.3 е, мм/с 8, мм/с
Р(НП) 0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0.06 0.03 0
0
1 ч
2 ч
5 ч
10 ч
20 ч
40 ч
60 ч
100 ч
120 ч
150 ч
170 ч
190 ч
100
200 Ип, кЭ
300
300 з50 Ип, кЭ
Рис. 2. Результат восстановления функций распределения
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.