CC BY
6
Формирование градиентной структуры в сплаве ВТ1-0 под действием имплантации / А.В. Никоненко, Н.А. Попова, Е.Л. Никоненко, М.П. Калашников, И.А. Курзина // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2021. - Т. 23, № 4. - С. 15-23. DOI: 10.15593/2224-9877/2021.4.02
Nikonenko A.V., Popova N.A., Nikonenko E.L., Kalashnikov M.P., Kurzina I.A. Formation of gradient structure in VT1-0 alloy under the influence of implantation. Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science, 2021, vol. 23, no. 4, pp. 15-23. DOI: 10.15593/2224-9877/2021.4.02
ВЕСТНИК ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение
Т. 23, № 4, 2021 Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science
http://vestnik.pstu.ru/mm/about/inf/
DOI: 10.15593/2224-9877/2021.4.02 УДК 539.22/23
12 2 А.В. Никоненко , Н.А. Попова , Е.Л. Никоненко ,
М.П. Калашников3, И.А. Курзина4
''Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия 2Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, Россия Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия
ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНОЙ СТРУКТУРЫ В СПЛАВЕ ВТ1-0 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИМПЛАНТАЦИИ
Проведено исследование градиентной структуры, возникающей при имплантации ионами алюминия сплава ВТ1-0 (технически чистого титана) в субмикроскопическом состоянии. Для формирования субмикроскопического состояния был применен комбинированный метод многократного одноосного прессования (аЬс-прессование) с последующей многоходовой прокаткой в ручьевых валках при комнатной температуре и последующим отжигом 573 К в течение 1 ч. Ионная имплантация проводилась в течение 50 мин при дозе облучения 11017 ион/см2 и температуре 623 К. Исследование выполнено методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии на фольгах, вырезанных перпендикулярно обработанной поверхности образца. Установлено, что сформированная имплантацией градиентная структура, состоит из пяти слоев: 1-й - оксидный слой; 2-й - ионно-имплантированный слой; 3-й - слой с измельченной зеренной структурой; 4-й - слой остаточного влияния имплантации; 5-й - слой, соответствующий неимплантированному состоянию сплава. В каждом слое определены фазовый состав, форма и расположение частиц вторых фаз, измерены размеры зерен a-Ti, размеры, плотность распределения и объемные доли выделившихся частиц, проанализировано состояние твердого раствора. Установлено, что основу слоя 1 составляют оксиды алюминия (Al2O3) и титана (TiO, TiO2). Матрицей слоя 2 является пересыщенный атомами AI твердый раствор a-Ti, в слоях 3-5 - твердый раствор a-Ti. Имплантация привела к образованию упорядоченных фаз: Ti3AI (сверхструктура D019) и TiAI3 (сверхструктура D022). Частицы фазы Ti3AI в слое 1 присутствуют в виде отдельно расположенных нанозерен, в слоях 2 и 3 обладают пластинчатой формой и располагаются внутри, а в слое 4 по границам зерен a-Ti, в слое 5 отсутствуют. Частицы фазы TiAI3 в слое 1 присутствуют также в виде нанозерен, в слоях 2 и 3 имеют округлую форму и располагаются случайным образом, в слоях 4-5 отсутствуют.
Ключевые слова: ионная имплантация, градиентная структура, слой, СМК-состояние, концентрация, зерно a-Ti, интерметаллид, оксид, фазовый состав, частица, объемная доля.
1 2 2 3 4
A.V. Nikonenko1, N.A. Popova2, E.L. Nikonenko2, M.P. Kalashnikov3, I.A. Kurzina4
1Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russian Federation 2Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation 3National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation 4National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation
FORMATION OF GRADIENT STRUCTURE IN VT1-0 ALLOY UNDER THE INFLUENCE OF IMPLANTATION
The study of the gradient structure arising at implantation by aluminum ions of VT1-0 alloy (technically pure titanium) in submicroscopic state was carried out. To form the submicroscopic state, a combined method of multiple uniaxial pressing (abc-pressing) followed by multi-step rolling in brook rolls at room temperature and subsequent annealing at 573 K, 1 hour was applied. Ion implantation was performed for 50 minutes at an irradiation dose of 1 1017 ions/cm2 and a temperature of 623 K. The study was performed by transmission electron diffraction microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy on foils cut perpendicular to the treated surface of the sample. It has been established that the gradient structure formed by implantation consists of 5 layers: 1 - oxide layer; 2 - ion-implanted layer; 3 - layer with a destroyed grain structure; 4 - residual implantation effect layer; 5 - layer corresponding to the unimplanted state of the alloy. In each layer the phase composition, shape and location of the second phase particles have been determined, the size of a-Ti grains, the size, density of distribution and volume fractions of the separated particles have been measured, and the state of the solid solution has been analyzed. It was established that layer 1 is based on aluminum (Al2O3) and titanium (TiO, TiO2) oxides. The matrix of layer 2 is the a-Ti solid solution oversaturated with Al atoms, in layers 3-5 is the a-Ti solid solution. Implantation led to the formation of ordered phases: Ti3Al (superstructure D019) and TiAl3 (superstructure D022). The particles of Ti3Al phase in the layer 1 are present in the form of separately arranged nanograins, in layers 2 and 3 have a lamellar shape and are located inside, and in layer 4 along the grain boundaries a-Ti, in the layer 5 is absent. Particles of the TiAl3 phase in layer 1 are also present in the form of nanograins, in layers 2 and 3 they have a rounded shape and are arranged randomly, in layers 4-5 they are absent.
Keywords: ion implantation, gradient structure, layer, SMC state, concentration, grain a-Ti, intermetallic, oxide, phase composition, particle, volume fraction.
Введение
Хорошо известно, что при одностороннем воздействии на материал, каким является модификация поверхности потоками ионов, возникают градиентные структуры [1, 2]. В этих структурах по мере удаления от поверхности изменяются такие характеристики, как размеры зерен и субзерен, плотность дефектов и их организация (субструктура) [2, 3]. Одновременно в этом же направлении изменяется концентрация легирующих элементов и примесей, а также температурно-скоростные условия фазовых превращений и степень их завершенности [4, 5]. Изменение химического состава сплава может повлечь за собой соседство принципиально разных структур. В таких структурах может сильно меняться список присутствующих фаз и их морфология [3, 5-8].
Поскольку параметры структуры, концентрация дефектов и фазовый состав в градиентных структурах по мере удаления от поверхности изменяются, должны меняться эксплуатационные и технологические характеристики, такие как твердость и прочность, пластичность и коррозионная стойкость, внутренние напряжения и пр. [9-17].
Градиентные структуры известны давно, однако их изучение затруднено. Первая основная трудность исследования этих структур заключается в строгой необходимости выполнения полных измерений, так как без цифр описать градиентную структуру невозможно. Вторая трудность заключается в необходимости проводить измерения тонких параметров внутренней дефектной структуры на
небольших расстояниях. Это требует прецизионных методов исследования и тщательной отработки методики. Третья трудность заключается в том, что основным методом является применение дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах, причем при разных, кардинально различных увеличениях, что также требует тщательной отработки методики. И наконец, особое значение приобретает исследование градиентной структуры на поперечном сечении обработанного образца.
Целью настоящей работы являлось исследование градиентной структуры, возникающей при имплантации ионами алюминия сплава ВТ1-0 (технически чистого титана) в субмикроскопическом (СМК) состоянии. Основное внимание уделено качественным и количественным изменениям тонкой структуры в градиентных слоях.
Материал и методы исследования
Материалом исследования являлся сплав ВТ1-0 (технически чистый титан). Для формирования СМК-состояния был применен комбинированный метод многократного одноосного прессования (аЬс-прессование) с последующей многоходовой прокаткой в ручьевых валках при комнатной температуре [18] и последующим отжигом 573 К в течение 1 ч.
Для имплантации ионами алюминия образцов из ВТ1-0 использована усовершенствованная версия ионного источника Mevva-5.RU, которая характеризуется снижением загрязнения ионного пучка продуктами эрозии катододержателя и электродов системы извлечения [19]. Ионная имплан-
тация проведена при ускоряющем напряжении 50 кВ, плотности тока ионного пучка 6,5 мА/см2, расстоянии 60 см от ионно-оптической системы, времени имплантации 50 мин, дозе облучения 11017 ион/см2 и температуре 623 К.
Исследования микроструктуры и фазового состава проведены методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии (ПЭМ) на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100F с использованием приставки JEOL для энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Применение метода ЭДС позволило получить ряд изображений, давших информацию об элементном составе и электронной структуре градиентных слоев имплантированного ионами алюминия сплава ВТ1-0.
Метод ПЭМ выполнен при ускоряющем напряжении 200 кВ и рабочем увеличении от 15 000 до 150 000 крат.
Изучение микроструктуры и фазового состава градиентных слоев проводили на фольгах, вырезанных перпендикулярно обработанной поверхности образца. Фольги готовились ионным утонением в вакууме с использованием системы Ion Sliser
Описание слоев градиентной структуры имплантированного сплава ВТ 1-0 ионами алюминия
Номер слоя ПЭМ-изображение Схема Толщина слоя Фазовый состав слоя Описание слоя
1 S " 4Р 200 нм < п 0 0 О 0 о Ъ 0 0 ° сч О Ü 0,1 мкм a-Ti, AI2O3, TiO, TiO2, Ti3Al, TiAl3 А12О3, ТЮ и ТЮ2 - основа пленки. Нанозерна а-Т1, Т13А1 и Т1А13 (й ~ 20 нм)
2 & §í 50 нм --г ■ 41 • / TiAl3 Ijb * a-Ti+TÍ3Al 0,2 мкм a-Ti, AI2O3, TiO, TiO2, Ti3Al, TiAl3 Зерна а-Т (0,04х0,08 мкм). Округлые частицы Т1А13 (й ~ 15 нм, 8 = 0,25 %). Пластинчатые частицы Т13А1 внутри зерен а-Т (5х20 нм, 8 = 0,2 %)
3 л ^ é' fl «» ш 200 нм 1 % JLtÍAI! <M- a-Ti+TbApfflP 0,8 мкм a-Ti, TiO, TiO2, Ti3Al, TiAl3 Зерна а-Т (0,05x0,10 мкм). Округлые частицы Т1А13 (й ~ 45 нм, 8 = 2,8 %). Пластинчатые частицы Т13А1 внутри зерен а-Т (5x40 нм, 8 = 4,6 %)
4 ш 200нм ^ ^ И 110 мкм a-Ti, TiO, TiO2, Ti3Al Зерна а-Т (0,07x0,23 мкм). Пластинчатые частицы Т13А1 по границам зерен а-Т (5x75 нм, 8 = 1,5 %)
5 • 200 нм 'щ 1400 мкм a-Ti, TiO, TiO2 Зерна а-Т (0,08x0,40 мкм)
ЕМ 0910018 (ШОЬ, Япония) при напряжении 6-8 кВ и угле скольжения 2°-4°.
Идентификация фазового состава и определение размеров и объемной доли частиц фаз, образовавшихся в результате имплантации, проводились по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в рефлексах соответствующих фаз. Количественные оценки (средние размеры зерен; размеры, плотность и объемные доли частиц образовавшихся фаз) в каждом слое выполнялись по снимкам, полученным в электронном микроскопе, с помощью методов планиметрии [20]. Все полученные данные обрабатывались статистически.
Результаты и их обсуждение
В исходном состоянии (перед имплантацией) зеренная структура сплава ВТ 1-0 представляла собой сильно вытянутые зерна, средний размер которых -~(0,08 х 0,40) мкм. Согласно классификации поликристаллов по размерам зерен [3], исследуемый сплав, обладающий такими размерами, должен относиться к субмикрокристаллическим (СМК) материалам.
Имплантация сплава ВТ1-0 ионами алюминия привела к формированию градиентной структуры. Проведенные исследования показали, что по мере удаления от поверхности обработанного образца градиентная структура представляет собой пять слоев, а именно: 1-й - оксидный слой; 2-й - ионно-импланти-рованный слой; 3-й - слой с измельченной зеренной структурой; 4-й - слой остаточного влияния имплантации; 5-й - слой, соответствующий неимплантиро-ванному состоянию сплава. ПЭМ-изображения градиентных слоев, их схемы, толщина слоев и их краткое описание приведены в таблице.
Как видно из таблицы, во-первых, все слои градиентной структуры различаются толщиной: чем дальше удален слой от поверхности облученного образца (чем больше номер слоя), тем больше толщина слоя.
Во-вторых, также видно, что матрицей слоев 2-5 является фаза a-Ti, а слой 1 (оксидный слой), как было доказано ранее [21], представляет собой пленку, содержащую преимущественно кислород, который находится в оксидах алюминия (Al2O3) и титана (TiO, TiO2). Наличие в оксидной пленке таких химических элементов, как O, Al и Ti, доказывают результаты, полученные методом ЭДС (рис. 1, участок 1).
Рис. 1. Распределение элементов А1, Т и О по глубине имплантированного образца сплава ВТ 1-0. 1, 2 и 3 - номера слоев (Х - расстояние от поверхности)
Необходимо отметить, что на представленном рис. 1 значения концентрации элементов (А1, Т и О) являются относительными величинами, так как здесь учитывались лишь основные элементы, а именно А1, Т и О. Как следует из рис. 1, участок 1 соответствует оксидной пленке и содержит преимущественно кислород и титан и лишь небольшое количество алюминия.
Наличие кислорода обусловлено методом приготовления образцов (аЬс-прессование и последующий отжиг при 300 °С в течение 1 ч), а также ионной имплантацией, выполняющейся в камере, в которой присутствует остаточная атмосфера. Адсорбированный и перемешанный ионным пучком с поверхностным слоем облучаемого образца кислород и приводит к формированию оксидных фаз.
В-третьих, из таблицы также следует, что слои 2-5 различаются размером зерен a-Ti. Ранее в работах, выполненных на крупно- и мелкокристаллических поликристаллах [3, 7, 8, 11, 21, 22], было установлено, что имплантация ионов алюминия приводит к уменьшению размера зерна мишени. Аналогичные результаты были получены и в настоящей работе: чем ближе к поверхности образца (чем меньше номер слоя), тем меньше размер зерна. Анализ полученных результатов показал, что действие имплантации подобно действию термической обработки или пластической деформации в ОЦК-сталях с анизотропной структурой (мартенситной, перлитной, ферритно-перлитной) [23, 24]. Было установлено [23, 24], что увеличение параметров термической обработки (температура, продолжительность) или степени пластической деформации приводит к появлению дислокационных субграниц, расположенных поперек направления анизотропных зерен. Эти границы разбивают зерна на отдельные части. Происходит поглощение дислокаций бывшими границами, переползание этих границ и их последующее искривление. Наблюдается интенсивная миграция границ, приводящая к образованию мелкозеренной структуры. Первичные границы зерен больше не идентифицируются. То же самое наблюдается при имплантации. Можно утверждать, что при имплантации этот процесс связан с сильным энергетическим воздействием, которое способствует формированию и закреплению новых поперечных границ и тем самым образованию мелкозеренной структуры. Измельчение зеренной структуры подтверждают и микродифракционные картины, полученные с ПЭМ-изображений в слоях 2-5 (рис. 2).
Хорошо известно, что по мере измельчения зерен увеличивается число зерен в единице площади ПЭМ-объекта, вследствие чего, так как каждое зерно дает свои отражения, дифракционная картина усложняется. Если зерна приближаются по своим свойствам к микрозернам, микродифракционная картина приближается к кольцевой [25]. Было также установлено, что между средним размером зерен, формирующих дифракционную картину, и числом точечных рефлексов на кольце существует линейная связь. Ввиду этого по числу точечных рефлексов на кольце микродифракционной картины можно определить средний размер зерен в конкретном локальном объеме материала [25]. Как видно из рис. 2, а, микродифракционная картина, полученная со слоя 2, - кольцевая. Отметим, что первое кольцо (кольцо наименьшего диаметра) соответствует положению рефлексов типа {100}, второе - {101} фазы a-Ti. По мере удаления от поверхности обработанного образца (увеличения
> ■>, ■ 4 . •' . .
б в
Рис. 2. Микродифракционные картины, полученные с участков структуры одинаковой площадью, в слоях 2 (а), 3 (б), 4 (в) и 5 (г)
а б в г
Рис. 3. Зерно а-Ti, содержащее частицы фазы Ti3Al: а - светлопольное изображение; б - темнопольное изображение, полученное в рефлексе 121 фазы Ti3Al; в - микродифракционная картина; г - ее индицированная схема. ПЭМ-изображение
номера слоя) число рефлексов на кольцах, соответствующих {100} и {101}, уменьшается и в слое 5 (см. рис. 2, г) вид микродифракционной картины приближается к точечной.
Из рис. 2 и таблицы хорошо видно, что ионная имплантация оказывает влияние на измельчение зерна на глубину, гораздо превышающую толщину имплантированного слоя, а именно в слоях 2-4.
Проведенные исследования показали, что слои 2 и 3 характеризуются образованием двух типов зерен. Первый тип - это зерна а-Т1, практически свободные от дислокаций. Второй тип - зерна а-Т1, внутри которых присутствуют частицы пластинчатой формы. Соответствующий пример приведен на рис. 3, а. Согласно дифракционному анализу (рис. 3, в, г), это двухфазные зерна (а-Т1 + Т13А1). Темнопольное изображение, полученное в рефлексе [ 121 ] фазы Т13А1 (рис. 3, б), подтверждает, что частицы пластинчатой формы являются частицами интерметаллидной фазы Т13А1 - упорядоченной фазы со сверхструктурой БО^, обладающей ГПУ-кристаллической решеткой (пространственная группа Р63/шшс). В слоях 4 и 5 зерна а-Т1 - это вытянутые зерна, средний размер которых постепенно увеличивается и в слое 5 достигает исходного значения.
В-четвертых, в слоях различен состав вторичных фаз, а также форма частиц этих фаз, их средний размер, объемная доля и расположение частиц в слое. Так, в слое 1 в пленке присутствуют
отдельно расположенные частицы, средний размер которых ~20 нм (см. таблицу). Было установлено [21], что это нанозерна а-Т1 и интерметаллидов Т13А1 и Т1А13.
В слоях 2 и 3, как отмечалось выше, присутствуют частицы интерметаллида Т13А1, имеющие пластинчатую форму и расположенные внутри зерен а-Т1. Как видно из таблицы, средний размер частиц в слое 3 больше, чем в слое 2. Также в слое 3 больше размер и объемная доля зерен а-Т1, содержащих фазу Т13А1. Соответственно, в слое 3 объемная доля фазы Т13А1 больше, чем в слое 2. Кроме частиц интерметаллида Т13А1 в слоях 2 и 3 присутствуют частицы еще одного интерметаллида - Т1А13. Это упорядоченная фаза со сверхструктурой Б022, обладающая ОЦТ-кристаллической решеткой (пространственная группа 14/шшш). Частицы фазы Т1А13 в этих слоях имеют округлую форму (рис. 4) и располагаются случайным образом. Средний размер и объемная доля частиц фазы Т1А13 в слое 3 также выше, чем в слое 2.
В слое 4 присутствует только одна интерме-таллидная фаза, а именно фаза Т13А1. Частицы этой фазы, как и в слоях 2 и 3, также обладают пластинчатой формой, однако располагаются они по границам зерен а-Т1 (см. схему в таблице). Средние размеры частиц и их объемная доля в слое 4 приведены в таблице.
В слое 5 частицы интерметаллидных фаз отсутствуют.
а
г
а б в г
Рис. 4. Выделение частицы фазы Т1Л13 в ионно-имплантированном слое: а - светлопольное изображение;
б - темнопольное изображение, полученное в рефлексе 121 фазы ТьЛ13; в - микродифракционная картина;
г - ее индицированная схема. ПЭМ-изображение
Изменение объемных долей интерметаллид-ных фаз по мере удаления от поверхности образца в сплаве ВТ1-0, имплантированном ионами алюминия, приведено на рис. 5. Из рис. 5 видно, что объемные доли интерметаллидных фаз достигают максимального значения в слое 3 - слое с измельченной зеренной структурой. В ионно-имплантированном слое (слой 2) объемные доли интерметаллидных фаз имеют малые значения.
Рис. 5. Изменение объемных долей интерметаллидных фаз (8) по мере удаления от поверхности образца в сплаве ВТ1-0, имплантированном ионами алюминия (1-5 - номера градиентных слоев)
Что касается оксидов, то в слое 1 оксиды Т (ТЮ и ТЮ2) и Л1 (Л1203), как отмечалось выше, образуют основу пленки. В слоях 2-5 присутствуют частицы оксидов Т (ТЮ и ТЮ2). Это случайным образом отдельно расположенные частицы округлой формы, диаметр которых в слоях 2-5 составляет ~(15-20) нм. Частицы оксида Л1203 обнаружены только в слое 2. Эти частицы также обладают округлой формой размером ~15 нм и располагаются в слое 2 случайным образом.
Пятое различие слоев - состояние твердого раствора. Из рис. 1 следует, что в начале слоя 2 (ионно-имплантированный слой) концентрация атомов Л1 составляет ~5 ат. %. Затем она быстро увеличивается и достигает максимального значения в центральной части слоя и к концу слоя уменьшается до 2-3 ат. %. Условно принято [1], что граница ионно-легированного слоя находится в области, где концентрация внедренных имплантацией ионов (ионов алюминия) не более 3 ат. %.
Именно по этому принципу была проведена граница между слоями 2 и 3.
Известно, что алюминий интенсивно растворяется в твердом растворе на базе а-Т1, что приводит к уменьшению параметров кристаллической решетки а-Т [26]. Как показали ранее проведенные рентгеноструктурные исследования, выполненные методом скользящего пучка [21], параметры кристаллической решетки а-Т при имплантации алюминия в титан с дозой 1 • 1017 ион/см2 в поверхностном обработанном слое уменьшаются. Таким образом, основываясь на данных, представленных на рис. 1, можно утверждать, что в первой половине слоя 2 происходит интенсивное насыщение твердого раствора атомами Л1 и в центральной части слоя 2 твердый раствор оказывается пересыщенным. Пока происходит интенсивное насыщение твердого раствора атомами Л1, интерметал-лидные фазы в слое 2 практически не образуются. Это хорошо видно при сравнении данных рис. 1 с данными рис. 5. Кроме того, из рис. 1 также видно, что концентрация атомов Т в первой половине слоя 2 несколько уменьшается, а во второй половине интенсивно увеличивается и к концу слоя 2 соответствует ~90 ат. %. В это время начинается образование интерметаллидных фаз (см. рис. 5).
Из рис. 1 также видно, что в слое 2 концентрация атомов О остается высокой, хотя и наблюдается заметное ее уменьшение. Еще раз подчеркнем, что наличие кислорода в этом слое объясняется его диффузией во время имплантации -кислород проникает в глубь материала и формирует оксиды титана и алюминия.
Таким образом, в первой половине ионно-имплантированного слоя (слой 2) практически весь Л1 находится в твердом растворе к концу слоя 2, как в твердом растворе, так и в интерметаллидах Т13Л1 и Т1Л13.
В слое 3 (см. рис. 1) концентрация атомов Т близка к 100 ат. %, однако сохраняется некоторое количество атомов Л1 (~2 ат. %). Количественные оценки, выполненные с использованием объемной доли интерметаллидов Т13Л1 и Т1Л13 и их стехио-
метрического состава [27], показали, что именно такого количества Al достаточно для образования объемной доли интерметаллидов Ti3Al и TiAl3, указанной в таблице и на рис. 5. В слое 4, по данным ЭДС, концентрация атомов Al составляет лишь 0,5 ат. %. В этом слое присутствует только фаза Ti3Al, содержащая именно такое количество алюминия. В слое 5 присутствуют только зерна a-Ti. Это означает, что матрицей сплава в слоях 3-5 является твердый раствор только a-Ti.
Заключение
Методами ПЭМ и ЭДС проведены исследования структуры после имплантации ионами алюминия технически чистого титана (сплав ВТ 1-0) в СМК-состоя-нии. Установлено, что имплантация привела к формированию градиентной структуры, состоящей из пяти слоев различной толщины, с различным средним размером зерна a-Ti, фазовым составом, расположением частиц, их формой, размером и объемной долей, состоянием твердого раствора в каждом слое.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FEMN-2020-0004) и при финансовой поддержке РФФИ № 19-08-01041 и № 20-38-90066.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Эффекты дальнодействия в ионно-импланти-рованных металлических материалах / А.Н. Диденко, Ю.П. Шаркеев, Э.В. Козлов, А.И. Рябчиков. - Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - 328 с.
2. Курзина И.А., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П. Градиентные поверхностные слои на основе интерметал-лидных частиц: синтез, структура, свойства. - Томск: Изд-во НТЛ, 2013. - 260 с.
3. Основы пластической деформации наноструктур-ных материалов / Э.В. Козлов, А.М. Глезер, Н.А. Конева, Н.А. Попова, И.А. Курзина. - М.: Физматлит, 2016. - 304 с.
4. Комаров Ф.Ф. Физические процессы при ионной имплантации в твердые тела / УП «Технопринт». -Минск, 2001. - 392 с.
5. Зацепин Д.А., Вайнштейн И.А., Чолах С.О. Ионная модификация функциональных материалов: учеб. пособие / УрФУ. - Екатеринбург, 2014. - 104 с.
6. Наноструктурированный титан. Применение, структура, свойства / Ю.П. Шаркеев, А.Ю. Ерошенко, В.А. Кукареко, А.В. Белый, В.А. Батаев // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2012. - № 8. - С. 60-63.
7. Модификация структурно-фазового состояния мелкозернистого титана в условиях ионного облучения / И.А. Курзина, Э.В. Козлов, Н.А. Попова [и др.] // Изв. РАН. Серия физическая. - 2012. - Т. 76, № 11. - С. 1384-1392.
8. Структурно-фазовое состояние УМЗ-титана, им-планированного ионами алюминия / А.В. Никоненко, Н.А. Попова, Е.Л. Никоненко [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2019. -Т. 21, № 4. - С. 17-25. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.4.02
9. Курзина И.А., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В. Формирование наноинтерметаллидных фаз в условиях ионной имплантации // Структура и свойства перспективных материалов / под ред А.И. Потекаева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2007. - С. 159-195.
10. Ионная имплантация как метод повышения циклической долговечности титана в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях / Ю. П. Шаркеев, В.А. Кукареко, А.Ю. Ерошенко [и др.] // Перспективные материалы. - 2011. - № 12. - С. 136-142.
11. Формирование наноразмерных интерметаллид-ных фаз в условиях имплантации ионами алюминия титановых мишеней / И.А. Курзина, Н.А. Попова, Е.Л. Никоненко [и др.] // Изв. РАН. Серия физическая. - 2012. -Т. 76, № 1. - С. 74-78.
12. Исследование возможности повышения служебных характеристик лопаток компрессора ГТД методом ионного модифицирования поверхности / С.А. Му-бояджян, А.Н. Луценко, Д. А. Александров, Д.С. Горлов // Труды ВИАМ. - 2013. - № 1. - С. 2.
13. Ковалевская Ж.Г., Кукареко В.А. Исследование строения и фазового состава азотированных слоев мартен-ситной стали, полученных ультразвуковым выглаживанием и ионной имплантацией // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2013. - № 4 (61). - С. 19-27.
14. Смыслов А.М., Смыслова М.К., Мухин В.С. Ионно-имплантационное и вакуумно-плазменное модифицирование поверхности лопаток компрессора ГТД // Вестник Рыбин. гос. авиац. технол. акад. им. П.А. Соловьева. - 2017. - № 1 (40). - С. 133-138.
15. Упрочнение поверхности титановых сплавов методом ионной имплантации и ионного модифицирования / Д.А. Александров, С.А. Мубояджян, А.Н. Луценко, П. Л. Журавлева // Авиационные материалы и технологии. -2018. - № 2 (51). - С. 33-39. DOI: 10.18577/2071-9140-20180-2-33-39
16. Модификация стали 40Х при высокоинтенсивной имплантации ионов азота / А. И. Рябчиков, Д. О. Си-вин, П.С. Ананьин [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2018. -Т. 61, № 2 (722). - С. 60-66.
17. Обработка циркониевой керамики ионами алюминия Al+ / С.А. Гынгазов, А.И. Рябчиков, В. Кос-тенко, Д.О. Сивин // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61, № 8 (728). - С. 131-137.
18. Структура и свойства объемного ультрамелкозернистого титана, полученного аЬс-прессованием и прокаткой / А.Ю. Ерошенко, Ю.П. Шаркеев, А.И. Толмачев [и др.] // Перспективные материалы. - 2009. -№ S7. - С. 107-112.
19. Simple and inexpensive time-of-flight charge-to-mass analyzer for ion beam source characterization / V.I. Gushenets, A.G. Nikolaev, E.M. Oks [et al.] // Rev. Sci. Instrum. - 2006. - Vol. 77, no. 6. - Р. 063301. DOI: 10.1063/1.2206778
20. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.
21. Influence of the aluminum ion implantation dose on the phase composition of submicrocrystaUine titanium / A.V. Nikonenko, N.A. Popova, E.L. Nikonenko [et al.] // Vacuum. - 2021. - Vol. 189. - P. 110230 (1-9). DOI: 10.1016/j.vacuum.2021.110230
22. Нанокристаллические интерметаллидные и нит-ридные структуры, формирующиеся при ионно-плаз-менном воздействии / И.А. Курзина, Э.В. Козлов, Ю.П. Шаркеев [и др.]. - Томск: Изд-во НТЛ, 2008. - 324 с.
23. Козлов Э.В., Попова Н.А., Конева Н.А. Фраг-ментированная субструктура, формирующаяся в ОЦК-сталях при деформации // Изв. РАН. Серия физическая. -2004. - Т. 68, № 10. - С. 1419-1428.
24. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали / Э.В. Козлов, Н.А. Попова, О.В. Кабанина [и др.]. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. - 177 с.
25. Электронно-микроскопический дифракционный анализ ультрадисперсных материалов / Ю.Ф. Иванов, Л.Н. Игнатенко, А.В. Пауль, Э.В. Козлов // Заводская лаборатория. - 1992. - Т. 58, № 12. - С. 38-40.
26. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем: в 4 т. - М.: Физматгиз, 1959. - Т. 1. -755 с.
27. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.
References
1. Didenko A.N., Sharkeev Iu.P., Kozlov E.V., Riabchikov A.I. Effekty dal'nodeistviia v ionno-implanti-rovannykh metallicheskikh materialakh [Long-range effects in ion-implanted metallic materials]. Tomsk: Izdatel'stvo NTL, 2004, 328 p.
2. Kurzina I.A., Kozlov E.V., Sharkeev Iu.P. Gra-dientnye poverkhnostnye sloi na osnove intermetallidnykh chastits [Gradient surface layers based on intermetallic particles: synthesis, structure, properties]: sintez, struktura, svoistva. Tomsk: Izdatel'stvo NTL, 2013, 260 p.
3. Kozlov E.V., Glezer A.M., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Osnovy plasticheskoi deformatsii nanostrukturnykh materialov [Fundamentals of Plastic Deformation of Nanostruc-tured Materials]. Moscow: Fizmatlit, 2016, 304 p.
4. Komarov F.F. Fizicheskie protsessy pri ionnoi implantatsii v tverdye tela [Physical processes in ion implantation into solids]. UP «Tekhnoprint». Minsk, 2001, 392 p.
5. Zatsepin D.A., Vainshtein I.A., Cholakh S.O. Ion-naia modifikatsiia funktsional'nykh materialov: ucheb. Posobie [Ionic modification of functional materials]. UrFU. Ekaterinburg, 2014, 104 p.
6. Sharkeev Iu.P., Eroshenko A.Iu., Kukareko V.A., Belyi A.V., Bataev V.A. Nanostrukturirovannyi titan. Primenenie, struktura, svoistva [Nanostructured titanium. Application, structure, properties]. Izvestiai vuzov. Chernaia metallurgiia, 2012, no. 8, pp. 60-63.
7. Kurzina I.A., Kozlov E.V., Popova N.A. et al. Modifikatsiia strukturno-fazovogo sostoianiia melkozernistogo titana v usloviiakh ionnogo oblucheniia [Modification of the
structural-phase state of fine-grained titanium under ion irradiation conditions]. Izvestiai RAN. Seriia fizicheskaia, 2012, vol. 76, no. 11, pp. 1384-1392.
8. Nikonenko A.V., Popova N.A., Nikonenko E.L. et al. Strukturno-fazovoe sostoianie UMZ-titana, im-plantirovannogo ionami aliuminiia [Structural-phase state of UMZ-titanium implanted with aluminum ions]. VestnikPermskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashino-stroenie, materialovedenie, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 17-25. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.4.02
9. Kurzina I.A., Sharkeev Iu.P., Kozlov E.V. Formirovanie nanointermetallidnykh faz v usloviiakh ionnoi implantatsii [Formation of nanointermetallic phases under ion implantation conditions]. Struktura i svoistva perspektivnykh materialov. Ed A.I. Potekaeva. Tomsk: Izdatel'stvo NTL, 2007, pp. 159-195.
10. Sharkeev Iu.P., Kukareko V.A., Eroshenko A.Iu. Ionnaia implantatsiia kak metod povysheniia tsiklicheskoi dolgovechnosti titana v krupnozernistom i ul'tramelkozernistom sostoianiiakh [Ion implantation as a method of increasing the cyclic durability of titanium in the coarse-grained and ultrafine-grained states]. Perspektivnye materialy, 2011, no. 12, pp. 136-142.
11. Kurzina I.A., Popova N.A., Nikonenko E.L. et al. Formirovanie nanorazmernykh intermetallid-nykh faz v usloviiakh implantatsii ionami aliuminiia tita-novykh mishenei [Formation of Nanosized Intermetallic Phases under Aluminum Ion Implantation of Titanium Targets]. Izvestiai RAN. Seriia fizicheskaia, 2012, vol. 76, no. 1, pp. 74-78.
12. Muboiadzhian S.A., Lutsenko A.N., Aleksandrov D.A., Gorlov D.S. Issledovanie vozmozhnosti povysheniia slu-zhebnykh kharakteristik lopatok kompressora GTD metodom ionnogo modifitsirovaniia poverkhnosti [Study of the possibility of improving the performance characteristics of GTE compressor blades by ion modification of the surface]. Trudy VIAM, 2013, no. 1, p. 2.
13. Kovalevskaia Zh.G., Kukareko V.A. Issledovanie stroeniia i fazovogo sostava azotirovannykh sloev martensitnoi stali, poluchennykh ul'trazvukovym vyglazhivaniem i ionnoi implantatsiei [Study of structure and phase composition of mar-tensitic steel nitrided layers obtained by ultrasonic smoothing and ion implantation]. Obrabotka metallov (tekhnologiia, oborudovanie, instrumenty), 2013, no. 4 (61), pp. 19-27.
14. Smyslov A.M., Smyslova M.K., Mukhin V.S. Ionno-implantatsionnoe i vakuumno-plazmennoe modi-fitsirovanie poverkhnosti lopatok kompressora GTE [Ion-implantation and vacuum-plasma modification of GTE compressor blade surfaces]. Vestnik Rybin. gos. aviats. tekhnol. akad. im. PA. Solov'eva, 2017, no. 1 (40), pp. 133-138.
15. Aleksandrov D.A., Muboiadzhian S.A., Lutsenko A.N., Zhuravleva P.L. Uprochnenie poverkhnosti titanovykh splavov metodom ionnoi implantatsii i ionnogo modifitsirovaniia [Surface hardening of titanium alloys by ion implantation and ion modification]. Aviatsionnye materialy i tekhnologii, 2018, no. 2 (51), pp. 33-39. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-33-39
16. Riabchikov A.I., Sivin D.O., Anan'in P.S. et al. Modifikatsiia stali 40Kh pri vysokointensiv-noi implantatsii ionov azota [Modification of 40Kh steel by high-intensity nitrogen ion implantation]. Izvestiai vuzov. Fizika, 2018, vol. 61, no. 2 (722), pp. 60-66.
17. Gyngazov S.A., Riabchikov A.I., Kostenko V., Sivin D.O. Obrabotka tsirkonievoi keramiki ionami aliuminiia Al+ [Treat-
ment of zirconium ceramics with aluminum ions Al+]. Izvestiai vuzov. Fizika, 2018, vol. 61, no. 8 (728), pp. 131-137.
18. Eroshenko A.Iu., Sharkeev Iu.P., Tolmachev A.I. Struktura i svoistva ob"emnogo ul'tramelko-zernistogo titana, poluchennogo abc-pressovaniem i prokatkoi [Structure and properties of bulk ultrafine-grained titanium produced by abc pressing and rolling]. Perspektivnye materialy, 2009, no. S7, pp. 107-112.
19. Gushenets V.I., Nikolaev A.G., Oks E.M. et al. Simple and inexpensive time-of-flight charge-to-mass analyzer for ion beam source characterization. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, no. 6, p. 063301. DOI: 10.1063/1.2206778
20. Saltykov S.A. Stereometricheskaia metallografiia. Moscow: Metallurgiia, 1970, 376 p.
21. Nikonenko A.V., Popova N.A., Nikonenko E.L. et al. Influence of the aluminum ion implantation dose on the phase composition of submicrocrystalline titanium. Vacuum, 2021, vol. 189, p. 110230 (1-9). DOI: 10.1016/j.vacuum.2021.110230
22. Kurzina I.A., Kozlov E.V., Sharkeev Iu.P. Nanokristallicheskie intermetallidnye i nitridnye struktury, formiruiushchiesia pri ionno-plazmennom vozdeistvii [Nanocrystalline intermetallic and nitride structures formed by ion-plasma exposure]. Tomsk: Izdatel'stvo NTL, 2008, 324 p.
23. Kozlov E.V., Popova N.A., Koneva N.A. Frag-mentirovannaia substruktura, formiruiushchaiasia v OTsK-staliakh pri deformatsii [Fragmented substructure formed in BCC steels during deformation]. Izvestiai RAN. Seriia fizicheskaia, 2004, vol. 68, no. 10, pp. 1419-1428.
24. Kozlov E.V., Popova N.A., Kabanina O.V. et al. Evoliutsiia fazovogo sostava, defektnoi struk-tury, vnutrennikh napriazhenii i pereraspredelenie ugleroda pri otpuske litoi konstruktsionnoi stali [Evolution of phase composition, defect structure, internal stresses and redistribution of carbon during tempering of cast structural steel]. Novokuznetsk: Izdatel'stvo SibGIU, 2007, 177 p.
25. Ivanov Iu.F., Ignatenko L.N., Paul' A.V., Kozlov E.V. Elektronno-mikroskopicheskii difraktsionnyi analiz ul'tradispersnykh materialov [Electron microscopic diffraction analysis of ultradisperse materials]. Zavodskaia laboratoriia, 1992, vol. 58, no. 12, pp. 38-40.
26. Vol A.E. Stroenie i svoistva dvoinykh metal-licheskikh system [Structure and properties of double metal systems]. Moscow: Fizmatgiz, 1959, vol. 1, 755 p.
27. Gol'dshtein M.I., Farber V.M. Dispersionnoe uprochnenie stali [Dispersion hardening of steel]. Moscow: Metallurgiia, 1979, 208 p.
Получено 18.08.2021
Принято 10.11.2021
Опубликовано 30.12.2021
Сведения об авторах
Никоненко Алиса Владимировна (Томск, Россия) - аспирант Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, e-mail: aliska-nik@mail.ru.
Попова Наталья Анатольевна (Томск, Россия) -кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории наноматериалов и нанотехнологий Томского государственного архитектурно-строительного университета, e-mail: natalya-popova-44@mail.ru.
Никоненко Елена Леонидовна (Томск, Россия) -кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики, химии, теоретической механики Томского государственного архитектурно-строительного университета, e-mail: vilatomsk@mail.ru.
Калашников Марк Петрович (Томск, Россия) -инженер отдела материаловедения Национального исследовательского Томского государственного политехнического университета, e-mail: kmp1980@mail.ru.
Курзина Ирина Александровна (Томск, Россия) -доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физической и коллоидной химии Национального исследовательского Томского государственного университета, e-mail: kurzina99@mail.ru.
About the authors
Alisa V. Nikonenko (Tomsk, Russian Federation) -Postgraduate Student, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, e-mail: aliska-nik@mail.ru.
Natalya A. Popova (Tomsk, Russian Federation) -Ph.D. in Technical Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Nanomaterials and Nanotechnology, Tomsk State University of Architecture and Building, e-mail: natalya-popova-44@mail.ru.
Elena L. Nikonenko (Tomsk, Russian Federation) -Ph.D. in Physics and Mathematics, Associate Professor, Department of Physics, Chemistry, Theoretical Mechanics, Tomsk State University of Architecture and Building, e-mail: vilatomsk@mail.ru.
Mark P. Kalashnikov (Tomsk, Russian Federation) -Engineer, Department of Materials Science, National Research Tomsk State Polytechnic University, e-mail: kmp1980@mail.ru.
Irina A. Kurzina (Tomsk, Russian Federation) -Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Professor, Department of Physical and Colloid Chemistry, National Research Tomsk State University, e-mail: kurzina99@mail.ru.
