CC BY
31
УДК 548:537.611.44
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 470-474
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАССИВНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СПЛАВОВ Co58Ni10Fe5B16Si11 ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ И ДИНАМИЧЕСКОМ КОМПАКТИРОВАНИИ
Е. А. Денисова1 , Л. А. Кузовникова2, С. В. Телегин3, В. Н. Саунин3, А. А. Кузовников2
1Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 38 2Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Иркутского университета путей сообщения Российская Федерация, 660100, г. Красноярск, ул. Ладо Кецховели, 89 3Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: len-den@iph.krasn.ru
Методами плазменного напыления и динамического компактирования изготовлены объемные нанострук-турированные материалы Co58Ni10Fe5B16Si11. Исследование структуры и магнитных свойств как исходных порошков, так и объемных аморфных и наноструктурированных сплавов проводилось методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и корреляционной магнитометрии. Изучено влияние условий динамического компактирования и плазменного напыления на фазовый состав, микроструктуру и магнитные свойства массивных образцов. Показано, что использование оптимальных технологических режимов компактирования позволяет получить объемные наноструктурированные материалы, основные магнитные свойства (намагниченность насыщения, постоянная обмена, поле локальной анизотропии, ширина линии ферромагнитного резонанса) которых совпадают со свойствами аморфных лент идентичного химического состава. Образцы, изготовленные обоими методами, характеризуются гетерофазной структурой. Проведен сравнительный анализ интегральных магнитных характеристик объемных CoFeNi-SiB сплавов, изготовленных различными методами. Установлено, что процесс плазменного напыления позволяет получать покрытия с величиной коэрцитивной силы, характерной для исходной ленты (0,3 Э). В случае динамического компактирования величина коэрцитивной силы несколько увеличивается - 0,5 Э.
Ключевые слова: объемные наноструктурированные материалы, динамическое компактирование, плазменное напыление, магнитные свойства.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 470-474
FORMATION OF STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED BULK Co-BASED ALLOYS AT PLASMA SPRAY DEPOSITION AND DYNAMIC COMPACTION
E. A. Denisova1 , L. A. Kuzovnikova2, S. V. Telegin3, V. N. Saunin3, A. A. Kuzovnikov2
1Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
2Krasnoyarsk Institute of Railways Transport 89, Lado Ketshovely Str., Krasnoyarsk, 660100, Russian Federation 3Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: len-den@iph.krasn.ru
The bulk nanostructured CoFeNi-SiB alloys were prepared by dynamic compaction and plasma spray deposition techniques. The preparation of bulk samples includes several process steps: obtaining of rapidly quenched amorphous ribbon; annealing of ribbon to embrittlement; ribbon grinding in powder; and finally, plasma spraying or dynamic compaction. The investigations of structure and magnetic properties of bulk samples were carried out by X-ray diffraction, electron microscopy and correlation magnetometry. The amorphous/crystalline phase ratio was estimated using the technique of magnetic phase analysis. The effect of processing steps of bulk amorphous alloys preparing on the magnetic characteristics of the samples was investigated. The regimes of dynamic compaction (the loading pressure PL < 3.2 Gpa) and plasma spray deposition (power of the electric arc P < 20 kW, the substrate temperature substrate temperature Ts < 150 oC) were selected so that the saturation magnetization, exchange constant, Curie temperature, local anisotropy field, and ferromagnetic resonance linewight of the bulk samples are identical to
those of the rapidly quenched Co58Fe5Nil0Bl6Sill ribbon. It was found that the bulk materials produced by shock compaction technique as well as plasma spraying technique are nanostructured. A comparison between the magnetic properties of the CoFeNi-SiB alloys prepared by dynamic compaction and a plasma spray deposition techniques was carried out. The analysis of the magnetic hysteresis loops curves shows that plasma spraying does not cause a change of Hc value (0.3 Oe). The coercive field of shock wave compacted sample is slightly bigger than that of the initial ribbon (0.5 Oe).
Keywords: bulk nanostructured materials, dynamic compaction, plasma spray deposition, magnetic properties.
Введение. Применение наноматериалов и нано-технологий в космической технике является одним из наиболее важных и перспективных направлений. Достаточно масштабное применение нанотехнологий в космической технике позволит радикально улучшить массогабаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов. Интерес к аморфным и нано-кристаллическим сплавам Со58№10Ре5В1681п обусловлен техническими характеристиками этого материала (нулевая магнитострикция, высокий уровень начальной и максимальной магнитной проницаемости и т. д.). Для практического применения требуется создание массивного материала, сохраняющего свойства нано-структурированных порошков. Наиболее освоенными являются технологии прессования в высоком вакууме, спекание под давлением, горячее изостатическое прессование, интенсивная пластическая деформация и высокотемпературная газовая экструзия [1-6]. Однако статическое компактирование порошков сопровождается рядом проблем. Холодное прессование не всегда позволяет получать плотные образцы. При горячем прессовании тяжело предотвратить рекристаллизацию и образование крупных пор на стадии высокотемпературной обработки. Перспективными для компакти-рования наноструктурированных порошков являются методы, использующие ударные волны [7]. Динамические методы компактирования нанопорошков позволяют преодолеть силы адгезионного сцепления, особенно значимые для наночастиц с их высокоразвитой поверхностью, и при одинаковом давлении достичь большей плотности компактных образцов [8; 9]. После прохождения ударной волны происходит быстрое охлаждение материала, при этом стабилизируются метастабильные фазы [10; 11].
Метод плазменного напыления при создании объемных наноструктурированных материалов имеет ряд преимуществ, так как позволяет наносить покрытия на изделия сложной формы. Плазменное напыление покрытий позволяет формировать материалы в аморфном и наноструктурном состоянии за счет ограничения времени пребывания напыляемых частиц в расплавленном состоянии и высоких скоростей их охлаждения на подложке до 108 К/с. В известных исследованиях [12; 13] нет целостного представления о совокупности факторов, ответственных за формирование наноструктурированного материала: не установлены механизмы формирования кристаллических и аморфных фаз в быстрозакаленных покрытиях при плазменном напылении. Данная работа посвящена изучению структуры и магнитных характеристик объемных наноструктурированных сплавов Со58№10Ре5В16Б1п,
полученных взрывным прессованием и плазменным напылением.
Эксперимент. Процесс изготовления объемных образцов включал несколько технологических этапов, таких как получение аморфной ленты Со58№10Ре5В16Б1п путем закалки расплава, отжиг ленты с целью охруп-чивания, размол ленты в порошок, плазменное напыление или динамическое компактирование. Динамическое компактирование (ДК) велось по плоской схеме. Плазменное напыление (ПН) проводилось на медную охлаждаемую основу в среде аргон-гелиевой плазмы при помощи дугового разряда.
Структура, фазовый состав и магнитные свойства компактов исследовались методами электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и корреляционной магнитометрии [14]. Измерения низкотемпературных и полевых зависимостей намагниченности выполнялись на вибрационном магнетометре в области полей от 0 до 14 кЭ и температур 77-300 К. Резонансные характеристики измерялись на стандартном спектрометре ЭПА-2М (частота 9,2 ГГц). Были исследованы основные (намагниченность насыщения М0, величина поля локальной анизотропии На) и интегральные (коэрцитивная сила Нс, ширина линии ФМР -АН) магнитные характеристики полученных образцов.
Результаты и обсуждение. В ходе вышеприведенной технологической цепочки изготовления массивного аморфного сплава материал претерпевает существенные изменения на различных уровнях микроструктуры (атомном, субмикронном и т. д.), которые в большинстве случаев приводят к деградации технически важных магнитных характеристик сплава. С целью выделения вклада каждого из технологических этапов в формирование свойств получаемых объемных образцов были проведены сравнительные исследования магнитных характеристик на всех этапах получения компактов. Были изучены магнитные характеристики, определяемые различными уровнями структуры материала (так, например, намагниченность насыщения М0 в основном определяется фазовым составом, постоянные обмена А, спин-волновой жесткости Б - ближайшим окружением магнитоак-тивного атома, величина поля локальной анизотропии
и размер области пространственной однородности ориентации оси этой анизотропии Яь - неоднородно-стями материала субмикронного масштаба). Это дает возможность судить об изменениях атомной структуры и субмикроструктуры сплава под влиянием внешних воздействий.
Ранее было установлено, что оптимальные магнитные свойства объемных материалов из аморфных сплавов на основе Со реализуются при определенном взаиморасположении и весовом соотношении аморфной
и микрокристаллической фаз [15], которое можно достичь варьированием режимов напыления и взрывного прессования. При ПН наиболее критичными параметрами являются мощность дугового разряда Рр (определяет скорость и температуру напыляемых частиц) и температура подложки Тп (определяет скорость закалки частиц), в случае ДК основным определяющим параметром является давление ударно-волнового нагружения Рн. Установлено, что при Рр < 20 КВт и Тп < 150 °C для ПН и Рк < 3,2 ГПа для ДК образцы остаются рентгеноаморфными.
На рис. 1 представлены электронно-микроскопические изображения объемных образцов сплава Co5sNi10Fe5B16Si11, полученных методами ДК и ПН при оптимальных режимах. По результатам энергодисперсионного анализа было установлено, что распределение элементов остается однородным по сечению покрытия и прессовки.
В таблице представлены результаты измерения магнитных характеристик на всех этапах изготовления объемного аморфного сплава Co58Ni10Fe5B16Si11. Анализ полученных результатов свидетельствует о неизменности ближнего порядка (как топологического, так и композиционного) сплава Co58Ni10Fe5B16Si11 на всех этапах получения объемного материала при выбранных режимах компактирования (М0 ~ 600 Гс и D ~ 117 МэВ A2 практически не изменяются). Это коррелирует с результатами дифракционных исследований.
Исследования методом корреляционной магнитометрии показали, что в объемных образцах, полученных как ПН, так и ДК, исследуемый сплав находится в наноструктурированном состоянии. Из кривых намагничивания были рассчитаны значения величин поля локальной анизотропии Д на всех технологических этапах (рис. 2). По значению величин Д на различных этапах технологической цепочки можно предположить, что в исходной ленте локальная анизотропия определяется в основном кристаллографической анизотропией (Д ~ 1 кЭ), в то время как в ох-
рупченной ленте и порошке - вкладом внутренних напряжений (Д ~ 2,5 и 14 кЭ соответственно). В плазменно-напыленных покрытиях величина Д значительно уменьшается (с 14 до 1 кЭ). То есть в отличие от метода взрывного прессования (где удается уменьшить Д только на одну треть до 8 кЭ), при плазменном напылении возможно снижение уровня внутренних напряжений до величины, характерной для исходной ленты.
Показано, что оптимальные режимы напыления позволяют изготовить покрытия, в которых величина Д будет идентична полю анизотропии исходной ленты, т. е. возможно снижение уровня внутренних напряжений до исходной величины.
Этап плазменного напыления оказывает существенное влияние и на величину корреляционного радиуса (в случае кристаллических сплавов эта характеристика совпадает с размером зерна). При получении массивного аморфного сплава методом плазменного напыления значение величины увеличивается по сравнению с данной характеристикой частиц порошка в полтора раза, в случае же метода взрывного прессования изменение величины при компактировании не наблюдалось. Это свидетельствует о том, что при плазменном напылении происходит перестройка всей микроструктуры частиц порошка, а не только поверхностной части, как при динамическом компактировании. Наблюдаемые в процессе ПН-модификации субмикроструктуры сплава проявляются и в изменениях интегральных магнитных характеристик.
Исследования изменений коэрцитивной силы Д в зависимости от технологического этапа для всех образцов позволили установить, что изменение величины Д коррелирует с поведением Д (рис. 1). Величина Д кроме кристаллографической анизотропии содержит вклад внутренних напряжений. По-видимому, изменение Д в процессе изготовления объемных сплавов определяется изменением Д, а именно, изменением уровня внутренних напряжений материала.
10 (ДП1
100 |ДШ
Рис. 1. РЭМ изображения объемных аморфных Со-№-Ре-81-В образцов, изготовленных плазменным напылением (а) и динамическим компактированием (б)
12 3 4
технологические >тапы
Рис. 2. Зависимости поля локальной анизотропии и коэрцитивной силы от технологического этапа изготовления объемного образца: 1 - исходная лента; 2 - отжиг; 3 - размол; 4 - ПН или ДК
Магнитные характеристики сплава Co58NiioFe5B16Siii
M* Гс D, МэВ-А2 нс, э яа, кэ Rc, À
Исходная лента 620 117 0,3 1 120
Охрупченная лента 600 130 0,5 2,5 70
Порошок 600 130 1 14 70
Покрытие 620 117 0,3 1 105
Компакт 620 117 0,5 8 70
Заключение. Методами плазменного напыления и динамического компактирования изготовлены объемные наноструктурированные материалы Co58Ni10FesB16Sin. Исследовано влияние технологических этапов получения объемных аморфных сплавов на магнитные характеристики образцов. Показано, что выбором условий плазменного напыления и динамического компактирования возможно получение объемных наноструктурированных материалов, основные магнитные свойства которых совпадают со свойствами аморфных лент идентичного химического состава.
Благодарности. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ, проект № 15-08-06673, РФФИ -ККФН р-сибирь-а, проект № 15-42-04171, Министерства образования и науки РФ, № 168.
Acknowledgments. This work was supported by Russian Foundation of Basic Research, 15-08-06673 and RFBR-KRFS, 15-42-04171, by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, № 168.
Библиографические ссылки
1. Лякишев H. П., Калин Б. А., Солонин М. И. Перспективные направления получения и обработки материалов // Бюллетень Международного общества металловедов. 2000. № 1. С. 22-47.
2. Андриевский Р. А., Рагуля А. В. Наноструктур-ные материалы. М. : Академия. 2005. 192 с.
3. Валиев Р. 3., Александров И. В. Наноструктур-ные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М. : Логос, 2000. 272 с.
4. Pawlik J. J., Wyslocki P. Nanocrystalline materials and coatings // J. Achievments Mater. Manuf. Eng. 2010. Vol. 43. P. 463-468.
5. Fabrication of bulk nanocomposite magnets via severe plastic deformation and warm compaction /
C. Rong [et al.] // J. Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96. P. 102513-1-3.
6. Cherigui M., Feraoun H. I., Feninehe N. E. Structure of amorphous iron-based coatings processed by HVOF and APS thermally spraying // Materials Chemistry and Physics. 2004. Vol. 85. P. 113-119.
7. Shock Compression of FePt and FePt/Fe3Pt Nanoparticles: Exchange-Coupled Nanocomposite Magnets / Z. Q. Jin [et al.] // AIP Conference Proceedings. 2006. Vol. 845. P. 1157-1161.
8. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. M. : Физматлит, 2007. 416 с.
9. Bulk nanocomposite magnets produced by dynamic shock compaction / K. H. Chen [et al.] // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 96. P. 1276-1280.
10. Ремпель А. А. Нанотехнологии, свойства и применение наноструктурированных материалов // Успехи химии. 2007. Т. 76, № 5. С. 474-500.
11. Vajpai S. K., Dube R. K., Tewari A. Studies on the Mechanical Alloying of Ni-Fe-Co Powders and Its Explosive Compaction // Metallurgical and Materials Transactions. 2008. Vol. 39A. P. 2725-2735.
12. Tjong S. C., Chen H. Nanocrystalline materials and coatings // Materials Science and Engineering. 2004. R-45. P. 1-88.
13. Калита В. И, Комлев Д. И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой. М. : Лидер М, 2008. 388 с.
14. Iskhakov R. S., Komogortsev S. V. Magnetic microstructure of nanostructured ferromagnetics // Bull. Russ. Ac. Sci.: Physics. 2007. Vol. 71. P. 1620-1625.
15. Исхаков P. С., Денисова E. А., Лепешев A. A. Размытый фазовый переход «аморфная фаза 1 -аморфная фаза 2» в сплаве CoFeNi-SiB // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 62(7). С. 548-551.
References
1. Lyakishev N. P., Kalin B. A., Solonin M. I. [Promising directions for obtaining and processing materials]. Byulleten' Mezhdunarodnogo obshchestva metallovedov. 2000, No. 1, P. 22-47 (In Russ.).
2. Andrievskiy R. A., Ragulya A. V. Nanostrukturnye materially. [Nanostructural materials]. Moscow, Akademiya Publ., 2005, 192 p.
3. Valiev R. Z., Aleksandrov I. V. Nanostrukturnye materialy, poluchennye intensivnoy plasticheskoy deforma-tsiey. [Nanostructural materials produced by intensive plastical deformation]. Moscow, Logos Publ., 2000, 272 p.
4. Pawlik J. J., Wyslocki P. Nanocrystalline materials and coatings. J. Achievments Mater. Manuf. Eng., 2010, Vol. 43, P. 463-468.
5. Rong C., Zhang Y., Poudyal N., Xiong X. Fabrication of bulk nanocomposite magnets via severe plastic deformation and warm compaction. J. Appl. Phys. Lett, 2010, Vol. 96, P. 102513-1-3.
6. Cherigui M., Feraoun H. I., Feninehe N. E. Structure of amorphous iron-based coatings processed by HVOF and APS thermally spraying. Materials Chemistry and Physics, 2004, Vol. 85, P. 113-119.
7. Jin Z. Q., Li J., Thadhani N. N., Wang, Z. L. Shock Compression of FePt and FePt/Fe3Pt Nanoparticles: Exchange-Coupled Nanocomposite Magnets. AIP Conference Proceedings, 2006, Vol. 845, P. 1157-1161.
8. Gusev A. I. Nanomaterialy, nanostruktury, nano-tekhnologii. [Nanomaterials, nanostructures, nanotechno-logies]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2007, 416 p.
9. Chen K. H., Jin Z. Q., Li J., Kennedy G. Bulk nanocomposite magnets produced by dynamic shock compaction. J. Appl. Phys, 2004, Vol. 96, P. 1276-1280.
10. Rempel' A. A. [Nanotechnologies, properties and application of nanostructural materials]. Uspekhi khimii, 2007, Vol. 76, No. 5, P. 474-500 (In Russ.).
11. Vajpai S. K., Dube R. K., Tewari A. Studies on the Mechanical Alloying of Ni-Fe-Co Powders and Its Explosive Compaction. Metallurgical and Materials Transactions, 2008, Vol. 39A, P. 2725-2735.
12. Tjong S. C., Chen H. Nanocrystalline materials and coatings. Materials Science and Engineering, 2004, R-45, P. 1-88.
13. Kalita V. I., Komlev D. I. Plazmennye pokrytiya s nanokristalicheskoy i amorfnoy strukturoy. [Plasma coatings with nanocrystalline and amorphous structure]. Moscow, Lider M Publ., 2008, 388 p.
14. Iskhakov R. S., Komogortsev S. V. Magnetic microstructure of nanostructured ferromagnetics. Bull. Russ. Ac. Sci.: Physics, 2007, Vol. 71, P. 1620-1625.
15. Iskhakov R. S., Denisova E. A., Lepeshev A. A. Diffuse of "amorphous phase 1-amorphous phase 2" phase transition in CoFeNi-SiB alloy. JETP Lett, 1995, Vol. 62, P. 564-567.
© Денисова E. А., Кузовникова Л. А., Телегин С. В., Саунин В. Н., Кузовников А. А., 2016
