ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 6, с. 63-72
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ _
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.295.71:539.216.2:621.787
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ИСХОДНОЙ ПЛЕНКИ АЛЮМИНИЯ И ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АЛИТИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА ТИТАНЕ ПРИ ОТЖИГЕ
© 2004 г. С. Е. Романьков, Е. Л. Ермаков, Р. О. Орозбаев, А. Мамаева, Е. В. Вдовиченко
Физико-технический институт, 480082, Алматы, 82, Казахстан Поступила в редакцию 24.05.2004 г.
Методом термического напыления на образцы из титана, которые использовались в качестве подложки, был нанесен слой алюминия толщиной 3, 5 и 7 мкм. При отжиге на поверхности титана с нанесенным на его поверхность слоем алюминия последовательно формируются различные алюми-нидные фазы в соответствии с равновесной диаграммой состояния Т-А1. Скорости роста диффузионных слоев различные и лимитируются исходной толщиной алюминивой пленки. Кинетика формирования слоев алюминидных фаз на поверхности титана и процесс развития микроструктуры зависит от толщины исходной пленки алюминия. С увеличением толщины исходной пленки алюминия после начальной стадии образования слоя А13Т с высокой скоростью реакции происходит резкое замедление кинетики реакций практически на всех этапах формирования структуры. Ионное облучение сильно влияет на формирование микроструктуры и кинетику реакций, протекающих при формировании алюминидных фаз на поверхности титана. Влияние это неоднозначно и сложным образом зависит от толщины исходной пленки алюминия, фазового состава слоев и сорта внедряемых ионов.
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы на основе алюминидов титана Т13А1 (а2-фаза диаграммы состояния Т1-А1) и Т1А1 (у-фаза диаграммы состояния Т1-А1) занимают особое место среди жаропрочных сплавов по набору свойств (низкая плотность, высокая жаропрочность, высокая удельная прочность, жесткость, трещиностой-кость, повышенная коррозионная стойкость и т.д.) и входят в десятку наиболее перспективных конструкционных материалов нового поколения [1-3]. По своим характеристикам алюминиды титана превосходят современные титановые суперсплавы. Существующие экспериментальные данные показывают, что алюминидные фазы могут использоваться в качестве защитных покрытий для титановых сплавов и сталей [4-9]. В работе [10] было показано, что на поверхности титана с нанесенным на нее слоем алюминия при отжиге последовательно формируются различные алюминидные фазы в соответствии с равновесной диаграммой состояния Т1-А1. Синтез алюминидных фаз на поверхности титана, основанный на химическом взаимодействии титана и алюминия, может найти широкое применение как при получении защитных покрытий для титановых сплавов, так и при разработке новых технологий получения сплавов на основе алюминидов титана, как, например, было показано в [11]. Для разработки новых технологий синтеза алюминидных фаз, основанных на химическом взаимодействии титана и алюминия, необходимо, прежде всего, опреде-
лить факторы, которые могут повлиять на кинетику структурных превращений и на стабильность формирующихся фаз. При выполнении данной работы ставилось две задачи: первая - определить, как толщина исходной пленки алюминия может повлиять на кинетику структурных превращений. Вторая - какое влияние ионное облучение окажет на кинетику формирования структуры. Мы использовали ионное облучение, потому что дефектная структура, которая формируется при облучении, приводит к существенным структурным изменениям формирующихся слоев.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Из листового титана чистотой 99.999% были вырезаны образцы размерами 8 х 8 х 1 мм. Образцы отжигали в вакууме при температуре 750°С в течение 24 ч. Методом термического напыления на образцы из титана, которые использовали в качестве подложки, был нанесен слой алюминия чистотой 99.9999% толщиной 3, 5 и 7 мкм. Напыление проводилось в вакууме 10-2 Па. Температура подложки при напылении составляла 150°С.
Облучение образцов ионами Т1+ или А1+ проводилось на ионном ускорителе "Диана". Энергия ионов 60 кэВ. Доза 1017 ион/см2. Плотность тока пучка ионов составляла 10 мА/см2 при частоте повторения импульсов 25 Гц, с длительностью импульса 250 мкс. Температура образцов в процессе облучения не превышала 150°С, вакуум был не
(а)
(б)
5 мкм
(в)
7 мкм
_|_I_I_I_I_1_
45 40 35 30 25 20 45 40 35 30 25 20 45 40 35 30 25 20 20, град 20, град 20, град
Т □ Л12Т1 о Т13Л1
Л13Т1 • Л1Т1
д Т1(Л1)
Рис. 1. Рентгенограммы образцов титана, покрытых алюминиевой пленкой толщиной 3 (а), 5 (б), 7 мкм (в), после отжига при различных температурах.
хуже 10-4 Па. Облученные и необлученные образцы последовательно отжигали в вакууме 10-5 Па в интервале температур 600-1000°С при последующем охлаждении с печью.
Структуру образцов исследовали методами рентгеноструктурного анализа на дифрактометре
Изменение фазового состава поверхностности титановых образцов при отжиге в зависимости от толщины исходной пленки алюминия
Темпера-
Фазовый состав
тура, °С 3 мкм 5 мкм 7 мкм
600 Л1эТ1 Л13Т1 Л13Т1
700 Т13Л1, ТШ - 0.5 ч Л12Т1, ТШ Л13Т1, Л12Т1
Т13Л1 - 5 ч
800 Т13Л1 - 0.5 ч Т13Л1, ТШ Л12Т1, Л13Т1
Т1(Л1), Т3Л1 - 0.5 ч
900 Т1(Л1) Т13Л1 Т13Л1, ТШ
950 Т1(Л1) Т1(Л1), Т13Л1 Т13Л1
1000 Т1(Л1) Т1(Л1) Т1(Л1)
ДРОН-3 в СиАа-излучении и сканирующей электронной микроскопии на микроскопе 1СХЛ-733.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены участки рентгенограмм образцов с различной исходной толщиной алюминиевого слоя после отжига в интервале температур 600-950°С. Изменения фазового состава поверхности с увеличением температуры сведены в общую таблицу. Как известно, при диффузионном взаимодействии двух элементов движущей силой диффузионных процессов является перепад концентраций или химических потенциалов в растущих фазах. Следовательно, последовательность формирования фаз определяется скоростью диффузии взаимодействующих элементов. Из полученных экспериментальных результатов (рис. 1, таблица) следует, что в зависимости от концентрационного соотношения элементов на поверхности титана последовательно формируются различные алюминидные фазы в соответствии с равновесной диаграммой состояния Т1-А1, которые растут в сторону алюминия. Скорости роста диффузионных слоев различные и лимитируются исходной толщиной алюминиевой пленки. На начальных этапах на межфазной границе
Рис. 2. Микроструктура титановых образцов, покрытых пленкой алюминия толщиной 3 мкм, после отжига при 600°С в течение 5 ч (а) и при 800°С - 5 ч (б).
раздела Ti/Al начинает формироваться слой Al3Ti, и постепенно вся пленка алюминия расходуется на образование этого слоя. Слой Al3Ti диффузионно неустойчив, в контакте с титаном и при повышении температуры начинает рассасываться. По законам диффузии при отжиге диффузионных пар не может образовываться двухфазных зон, соответственно, в процессе диффузионного насыщения слоя Al3Ti сначала формируется слой на основе соединения Al2Ti, а затем последовательно образуются слои TiAl и Ti3Al и, в конечном счете, твердый раствор алюминия в a-Ti.
Кинетика формирования слоев алюминидных фаз на поверхности титана и процесс развития микроструктуры сильно зависят от толщины исходной пленки алюминия. При толщине пленки алюминия 3 мкм скорость реакций очень высокая, и уже после выдержки при 800°C в течение 5 ч слой на основе соединения Ti3Al практически полностью рассасывается (см. таблицу). Характерной особенностью микроструктур, которые формируются на поверхности титана при толщине пленки 3 мкм, является отсутствие островковой структуры (рис. 2). Формирующиеся слои однородные и очень мелкодисперсные по сравнению со слоями, которые образуются на поверхности титана во время отжига при напылении пленок большей толщины (рис. 3). В случае более толстых пленок после начальной стадии образования слоя Al3Ti с высокой скоростью реакции происходит резкое замедление кинетики, реакций практически на всех этапах. Судя по интенсивности дифракционных отражений на рентгенограммах (рис. 1), объемная доля формирующихся на различных этапах отжига фаз, а следовательно, и толщина соответствующих слоев увеличиваются пропорционально толщине исходной пленки алюминия. Т.е. можно предположить, что относительная толщина формирующихся слоев оказывает су-
щественное влияние на процессы их диффузионного насыщения и на химическую активность атомов в плоскости роста новой фазы.
Таким образом, кинетика реакций на поверхности титана при напылении пленок 5 и 7 мкм более сложна, но и более интересна с практической точки зрения. С целью установления факторов, которые могут повлиять на кинетику формирования алюминидных фаз, а соответственно, и на стабильность их структуры было проведено ионное облучение образцов на различных этапах формирования диффузионных слоев.
На рис. 3 а приведена микроструктура пленки алюминия толщиной 7 мкм на подложке титана после напыления. Пленка сплошная и состоит из однородных равноосных частиц алюминия. Следует отметить, что с увеличением толщины пленки алюминия с 5 до 7 мкм происходит увеличение размеров частиц [10 рис. 1а]. После облучения ионами титана наблюдается сильное измельчение частиц. Пленка становится очень мелкодисперсной (рис. 36).
После отжига при 600°С продолжительностью 5 ч на поверхности титана образуется слой А13Т1 (рис. 4). На образцах с исходной необлученной пленкой алюминия после отжига формируется островковая структура, внутренняя структура островков и поверхность между ними состоит из однородных мелкодисперсных частиц, которые образуют сплошной слой (рис. 3в). Формирование островковой структуры связано с фактором анизотропии коэффициентов диффузии для титана и поликристаллической структурой исходной титановой подложки [10]. При увеличении времени отжига до 15 ч при 600°С значительных изменений с микроструктурой образцов с исходной необлученной пленкой алюминия и их фазовым составом не наблюдается, соответственно полученная
Рис. 3. Формирование микроструктуры алюминидных фаз на поверхности титана из исходной и предварительно облученной пленки алюминия толщиной 7 мкм при отжиге:
а - исходная А1 пленка; б - исходная облученная А1 пленка; в - исходная А1
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.