CC BY
14
УДК 537.534.9:539.231:539.536 DOI: 10.15350/17270529.2021.2.18
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЁНОК Ti/Al ПОСЛЕ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
ШУШКОВ А. А., БЫКОВ П. В., ВОРОБЬЁВ В. Л., ВАХРУШЕВ А. В., БАЯНКИН В. Я.
Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Проведено исследование и сравнительный анализ физико-механических свойств поверхностных слоев многослойных плёнок Т1/А1 на поверхности (максимальная глубина проникновения алмазного наконечника 40 нм) титана ВТ1-00 в зависимости от дозы облучения ионами аргона. Обнаружено, что среднее значение твердости, приведенного модуля упругости образца, облученного ионами аргона, начиная с дозы облучения 1016 ион/см2, увеличиваются. Выявлено, что твердость, приведенный модуль упругости, степень упрочнения при максимальной глубине индентирования 40 нм, образца, облученного ионами аргона дозой 1017 ион/см2, увеличиваются в 3.9 и 2.5 раза и на 56.5 % соответственно. Обнаружено, что в некоторых, немногочисленных точках индентирования исследуемого образца, облученного дозой 1017 ион/см2, присутствует фаза, обладающая повышенными значениями твердости до 24.6 ГПа и приведенного модуля упругости до 1147 ГПа.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: твердость, приведенный модуль упругости, индекс пластичности, степень упрочнения, упругий параметр восстановления, наноиндентирование, многослойные плёнки, титан, алюминий, ионно-лучевое перемешивание.
ВВЕДЕНИЕ
Интерметаллидные соединения системы ТьА1 широко применяются в авиационной и ракетной отрасли [1 - 5], особенно при изготовлении компонентов авиационных двигателей. Их применение обусловлено высокой температурой плавления, высокой удельной прочностью и пластичностью при их низкой плотности, а также высокой стойкости к окислению [4]. Основная причина применения интерметаллидных соединений системы ТьА1 в авиационном двигателестроении деталей: возможность улучшения эксплуатационных характеристик газотурбинных двигателей с одновременным снижением его массы [2]. Интерметаллиды ТьА1 применяются для производства лопаток компрессора, корпуса турбины реактивных двигателей, элементов сопла, могут быть использованы для изготовления деталей космических аппаратов. Интерметаллидные соединения ТьА1 используются при создании новых классов конструкционных материалов [6]. Каждый год проводится работа по модернизации организации производства лопаток из интерметаллидных соединений ТьА1 для турбин низкого давления [7]. Разрабатываются технологии получения лопаток из интерметаллидов ТьА1 [8]. Интерметаллид ТьА1 планируют использовать при создании автомобилей [9]. Каждый год расет число патентов по интерметаллидным сплавам системы ТьА1.
Задачи увеличения прочности, твердости, пластичности, упругости, износостойкости, способности выдерживать длительные нагрузки, а также переменные ударные нагрузки, долговечности работы, изготавливаемых деталей являются приоритетными [10]. Многие физико-механические характеристики вышеперечисленных деталей определяются поверхностными слоями материала, из которого они изготовлены. Одним из способов упрочнения металлов и сплавов является метод поверхностного упрочнения, основанный на ионно-лучевом легировании [11 - 14]. Одним из способов увеличения твердости является изменение структуры поверхностного слоя из-за наличия дефектов во время облучения ионами аргона [15, 16].
Много научных работ опубликовано по исследованию фазового состава интерметаллидных соединений Ti-Al [17, 18]. Однако, на наш взгляд, изучению физических и особенно механических характеристик интерметаллидных соединений Ti-Al в приповерхностных слоях 40 - 50 нм не уделено должного внимания.
Одним из известных и широко применяемых методов измерения физико-механических характеристик наноматериалов является метод наноиндентирования [19 - 22].
Поэтому целью настоящей работы является исследование изменения физико-механических характеристик (твердость, приведенный модуль упругости, жесткость, индекс пластичности и др.) поверхностных слоев многослойных плёнок Ti/Al на поверхности титана ВТ1-00 в зависимости от дозы облучения ионами аргона методом наноиндентирования.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследуемые образцы представляли собой пластины из титана ВТ1-00 размером 10^10 мм2 и толщиной около 1 мм. Поверхность образцов механически полировалась. После полировки образцы очищались в органических растворителях в ультразвуковой ванне. Для формирования покрытий использовали многомагнетронную напылительную систему ORION-8-UHV производства AJA Int (НПК "Технологический центр" МИЭТ, г. Зеленоград). Перед напылением проводили очистку поверхности ионами аргона с энергией 300 эВ. Напыление проводили в среде аргона при постоянном токе и температуре подложки 200 °C. Скорость напыления составляла 0.1 нм/с. На подложку из титана ВТ1-00 последовательно напыляли: алюминий 100 нм, титан 10 нм, алюминий 10 нм, титан 10 нм, алюминий 10 нм и титан 10 нм. Ионно-лучевое перемешивание многослойных плёнок Ti/Al проводили бомбардировкой ионами аргона, на ионно-лучевой установке "Пион-1М", в импульсно-периодическом режиме (f = 100 Гц, t = 1 мс) с энергией ионов 40 кэВ, плотностью тока в
2 15 2 16 2 16 2
импульсе 1.5 мА/см и дозами облучения 5 10 ион/см , 10 ион/см , 5 10 ион/см и
17 2
1017 ион/см2. В процессе имплантации с помощью термопары контролировалась температура образцов, их разогрев не превышал 100 °С.
Структурная схема облучения и индентирования исследуемых образцов многослойных плёнок Ti/Al приведена на рис. 1.
F=1KH
о
Jr
/ Ti 10 нм
/ Al 10 нм
' Ti 10 нм
Al 10 нм
Ti 10 нм
Al 100 нм
Ar
+
Подложка Ti
Рис. 1. Структурная схема облучения ионами аргона и индентирования исследуемых образцов многослойных плёнок Ti/Al
Измерения физико-механических характеристик многослойных плёнок Ti/Al проводились на комплексной системе измерений Nanotest 600 в микро- и наномасштабе. Нагрузка вдавливания производится индентором Берковича в соответствии с ГОСТ Р 8.748-2011. По методике Оливера-Фарра [23] проведен расчет твердости и приведенного модуля упругости.
Исследованы образцы при максимальной глубине индентирования 40 нм. Проведено по 20 измерений методом индентирования каждого образца на заданную глубину проникновения алмазного наконечника. Так как проективный пробег ионов аргона с энергией 40 кэВ в титане составляет ~ 27 нм, а в алюминии ~ 36 нм [24], то актуальными представлялись исследования механических характеристик на этих или меньших глубинах проникновения алмазного наконечника. Однако на таких глубинах погрешность определения механических характеристик довольно высока.
Максимальная глубина проникновения алмазного наконечника ограничена hmax = 40 нм. Принято, что при достижении максимальной глубины или прикладываемой силы F = 1.0 мН контакт индентора с образцом прекращался. Время нагрузки и разгрузки точки индентирования - 10 с. Время задержки при максимальной силе нагружения - 10 с.
Расстояние между точками проникновения алмазного наконечника - 20 мкм. Параметр индекса пластичности PI (Plasticity Index) рассчитывался как отношение величины работы, затрачиваемой на формирование пластической деформации к общей работе.
Параметр упругого восстановления ERP (Elastic recovery parameter) рассчитывался как отношение разности максимальной и пластической глубин к пластической глубине проникновения алмазного индентора.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 2 представлена схема проведения операций индентированием в 30 точек. В начале была проведена процедура индентированием в точку 1 и так далее. Исследуемая область 180 на 40 мкм с расстоянием между точками индентирования 20 мкм. Операция индентированием в точки 2 и 3 не прошла удачно. Может быть, на поверхности находилась "пылинка" или во время испытания произошел небольшой скачок напряжения (сбой оборудования в области малых нагрузок и глубин проникновения алмазного наконечника), что привело к нечитаемым, "плохим" кривым индентирования (нагрузка-разгрузка).
28025-,
2G517 2G550
26600 26650
Y, мкм
a)
26700 26737
1 1 1 1 1 1 I 1 1 i 1 1
- 13 -
I ■ • ■ ■ 17 ■ I
- -
1 1 i 1 1 I 26 ' I 27 1 i ' 1
10 О
-8
-16
-24
-32
30
-40
а>
CD CD О) OJ LO ОЭ
Y, мкм б)
Рис. 2. Схема проведения операций индентированием. 30 индентирований. 1, 4, 7, 10, 13, 17, 26, 27, 30 - номера точек индентирования
7
1
4
Значения физико-механических характеристик в точках 2, 3 были удалены из дальнейшего анализа изучения физико-механических свойств многослойных плёнок Т1/А1, облученных ионами аргона дозой
101' ион/см2. В точках 17, 26, 27, 29, 30 (рис. 2) алмазный наконечник проник в твердую, пока не исследуемую фазу, что наглядно видно на карте распределения твердости и приведенного модуля упругости по исследуемой поверхности (рис. 3, 4). Пластическая глубина проникновения алмазного наконечника в этих точках наоборот принимает значения близкие к нулю (рис. 5).
У, мкм
Рис. 3. Карта распределения твердости по исследуемой поверхности образца, облученного ионами аргона дозой Б=1017 ион/см2. 30 индентирований. 17, 26, 27, 29, 30 - номера точек индентирования поверхности
Ег, ГПа
11 <17.42 ■
ЮП&.02
ЭБ4.6Э
723 24
581 35
41046
233.07 ■
157.60 1623 ■
ш I
I
о п
о СО
о СП
о
см
о ¡5
о со
И
N
У, мкм
Рис. 4. Карта распределения приведенного модуля упругости Ег, ГПа по исследуемой поверхности образца, облученного ионами аргона дозой Б=1017 ион/см2. 30 индентирований. 17, 26, 27, 29, 30 - номера точек индентирования поверхности
Ьр1, нм
В584
75 94 ее 01 ■
5613
4623
35.32
26.42 ■
16Е2
661 ■
0
-8
-16
2
И
24
N
32
30
-40
со
I
с
<71
О Щ
о
О!
о
С\1
о ю
о
со
У, мкм
Рис. 5. Карта распределения пластической глубины индентирования Ьр1, нм по исследуемой поверхности образца, облученного ионами аргона дозой Б=1017 ион/см2. 30 индентирований. 17, 26, 27, 29, 30 - номера точек индентирования поверхности
При ионно-лучевом перемешивании плёнок Ti/Al в поверхностных слоях создаются условия для формирования интерметаллидов данных металлов, возможно, выделяются наноразмерные частицы интерметаллидного соединения TiAl [25], имеющие очень высокую твердость. Значения твердости и приведенного модуля упругости в этих точках имеют очень большие значения, которые приведены ниже.
Причем деформация в этих точках индентирования имеет упругий характер без наличия пластической деформации (рис. 6). Для точек индентирования 17, 29, 30 твердость и
17 17
приведенный модуль упругости имеют значения: Н = 15.5 ГПа, Er = 247 ГПа; Н29 = 19.3 ГПа, Er29 = 353.6 ГПа; Н30 = 24.6 ГПа, Er30 = 1147.4 ГПа. Эти значения приведены в работе неслучайно, приведенный модуль упругости точки индентирования 30 одинаков с модулем упругости алмаза 1141 ГПа.
а) б)
в)
Рис. 6. Зависимость прикладываемой силы F, мН от глубины проникновения алмазного наконечника Ь, нм в образец для нагрузки 1 мН, доза ионного облучения Б=1017 ион/см2: а) - точка индентирования 17; б) - точка индентирования 29; в) - точка индентирования 30
В связи с большим разбросом значений механических характеристик образца, облученного ионами аргона дозой 1017 ион/см2 принято решение повторить эксперимент в другой области исследуемого образца. По результатам испытаний получены точно такие же результаты, как и в первой исследуемой области, а именно точки индентирования твердой фазы (рис. 7).
Ь,^ м
-6.58 -4.00 -2.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.73
II, нм
2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 17.43
а)
Рис. 7. Зависимость прикладываемой силы F, мН от глубины проникновения алмазного наконечника Ь, нм в образец для нагрузки 1 мН, доза ионного облучения Б=1017 ион/см2: а) - точка индентирования 10; б) - точка индентирования 15
Для точек индентирования 10, 15 значения твердости и приведенного модуля упругости равны: Н10 = 19.1 ГПа, Er10 = 379.7 ГПа; Н15 = 13.6 ГПа, Er15 = 490.8 ГПа. Таким образом, на поверхности данного образца наблюдается наличие твердой фазы, которая распределена не равномерно по всей поверхности, а только в отдельных точках. Обнаружить места с твердой фазой с помощью комплексной системы измерения физико-механических характеристик в наномасштабе NanoTest 600 можно только случайным образом. Оптика системы NanoTest 600 с увеличением в 1000 раз не позволяет выявить эти области (рис. 8).
1.1
25 мкм |
■ Л.................ГЯ1 ШНк .
Рис. 8. Фотография поверхности образца, облученного ионами аргона дозой 10 ион/см
при увеличении 1000 раз
Пересечение белой сплошной и пунктирной линий на рис. 8 - есть точка индентирования 30 на рис. 5 и 6, в в первой исследуемой области образца, облученного
17 2
ионами аргона при дозе ионного облучения 1017 ион/см2, причем через 20 мкм твердая фаза может перестать существовать, а еще через 20 мкм появиться снова.
Наличие твердой фазы - это единичные случаи, значительно увеличивающие среднюю твердость и другие средние физико-механические свойства образца, облученного ионами аргона дозой 1017 ион/см2.
На рис. 9 представлена зависимость прикладываемой силы F, мН от глубины проникновения алмазного наконечника ^ нм в образец для максимальной глубины
17 2
индентирования hmax = 40 нм, дозы ионного облучения D = 10 ион/см для точек индентирования 8 и 14 на рис. 2. Видно, что операция индентирования прекращается при достижении максимальной заданной глубины проникновения алмазного наконечника 40 нм, при этом нагрузка не достигает своего максимального заданного значения 1 мН. Для точек индентирования 8,14 значения твердости и приведенного модуля упругости имеют значения: Н8 = 3.1 ГПа, Е,8 = 99.7 ГПа; Н = 4.1 ГПа, Е,14 = 129.6 ГПа. Нагрузка, при которой достигается максимальная глубина проникновения алмазного наконечника 40 нм для точки индентирования 14 больше, чем для точки 8, что соответствует большему значению твердости.
Рис. 9. Зависимость прикладываемой силы F, мН от глубины проникновения алмазного наконечника h, нм в образец для максимальной глубины индентирования 40 нм, доза ионного облучения D=1017 ион/см2: a) - точка индентирования 8; б) - точка индентирования 14
На рис. 10, 11 представлены зависимости среднего значения твердости и приведенного модуля упругости от дозы облучения ионами аргона по всем точкам индентирования поверхности исследуемых образцов.
Таким образом, среднее значение твердости образца, облученного ионами аргона
^ 17 2
дозой облучения 10 ион/см увеличивается по сравнению с необлученным образцом в 3.9 раза, приведенный модуль упругости в 2.5 раза. Наличие обнаруженной твердой фазы
17 2 и
при дозе ионного облучения D = 10 ион/см вносит существенный вклад в увеличение разброса значений твердости, что в свою очередь приводит к росту среднеквадратичного отклонения (рис. 10, 11).
12
10
0
Н, ГПа
< » 6,47
] ] | » » 2,71
, 1.67 , > 1,67 ]
Исходный
5*1015
1016
5*1016
1017 О,ион/см2
Рис. 10. Зависимость среднего значения твердости Н, ГПа от дозы облучения ионами аргона, при максимальной глубине индентирования 40 нм
400
350 300
250
200
150
100
50
0
Ег, ГПа
» 179,7В
1 i 73,15 < » 74,0В 1 94,« | » 90,31
_
Исходный 5*1015
1016
5*1016
1017 Р,ион/см2
Рис. 11. Зависимость среднего значения приведенного модуля упругости Er, ГПа от дозы облучения ионами аргона, при максимальной глубине индентирования 40 нм
8
6
4
2
На рис. 12, 13 представлены значения твердости и приведенного модуля упругости от номера опыта. Видно, что значения твердости и приведенного модуля упругости значительно
^ 17 2
увеличиваются для образца, облученного ионами аргона дозой облучения 10 ион/см по сравнению с необлученным образцом. Номера опытов на рис. 12, 13 не соответствуют номерам точек индентирования поверхности на рис. 2-5.
30 25 20 15 10
0
Н, ГПа ■
1
■
■ ■
■
■ ■ ■ 1 1
1 1 ■ ■ » • N
0 5 10 15 20 25
Рис. 12. Значения твердости Н, ГПа для образцов в исходном состоянии - □ и облученного ионами аргона дозой 1017 ион/см2 - * при максимальной глубине индентирования 40 нм. N - номер опыта
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Ег, ГПа
и
■
- ■ ■ ■ ■
1 N
0 5 10 15 20 25
Рис. 13. Значения приведенного модуля упругости Ег, ГПа в различных точках образцов в исходном состоянии - И и облученного ионами аргона дозой 1017 ион/см2 - * при максимальной глубине индентирования 40 нм. N - номер опыта
На рис. 14 представлена зависимость отношения твердости материала Н к его приведенному модулю упругости Юнга Er (Н/Е-) от дозы ионного облучения D, ион/см2 образцов, при максимальной глубине индентирования 40 нм.
0.040
0.035
H/Er
0,036
0.030 0.025 0.020
0,03
0,023
0,023
0,024
0.015
0.01
0.005
Исходный 5*1015 1016 5*1016 1017 D,ион/см2
Рис. 14. Зависимость отношения твердости Н, ГПа к приведенному модулю упругости Er (ГПа) от дозы облучения ионами аргона, при максимальной глубине индентирования 40 нм
Отношение твердости к приведенному модулю упругости Юнга характеризует степень упрочнения материала, является сравнительной характеристикой сопротивления материалов деформации [26].
Сопротивление деформации образцов, облученных ионами аргона дозами 5 1015 и 1016 ион/см2 остается неизменной по сравнению с образцом в исходном состоянии, а после облучения ионами аргона дозами 510 и 10 ион/см увеличивается на 30.5 и 56.5 %.
Такой тенденции увеличения отношения твердости к приведенному модулю упругости соответствует увеличение упругого параметра восстановления на 44 и 105 % и уменьшение индекса пластичности на 10.5 и 24 % соответственно (рис. 15, 16).
Чем меньше размер отпечатка, тем выше параметр упругого восстановления.
Большие значения параметра упругого восстановления являются следствием высокого сопротивления усталостному разрушению, высокой способностью запасать упругую энергию и под действием нагрузки упруго деформироваться без разрушения.
Большим значениям параметра упругого восстановления соответствует высокая износостойкость материала [27].
0,8
0,7
0,6
0,5 0,4
0,3 0,2 0,1
PI
• 0,66
♦ 0,67
♦ 0,66
♦ 0,59
♦ 0,5
Исходный
5*1015
1016
5*1016
1017 D,ион/см2
Рис. 15. Зависимость индекса пластичности PI от дозы облучения ионами аргона, при максимальной глубине проникновения индентирования 40 нм
0,085
0,07
0,05
0,04 0,03 0,02
0,01 0
ERP
> 0,02
4 ► 0105 1 * я ► 0,21 J ► 0,295
0,105 4 0,189
Исходный 5*1015
1016
5*1016 1017 D,ион/см2
Рис. 16. Зависимость упругого параметра восстановления ERP от дозы облучения ионами аргона, при максимальной глубине индентирования 40 нм
ВЫВОДЫ
Выявлено, что среднее значение твердости, приведенного модуля упругости, степень упрочнения материала, упругий параметр восстановления образца многослойных плёнок Ti/Al на поверхности титана ВТ1-00, при максимальной глубине индентирования 40 нм, облученного ионами аргона дозой 5 1015 ион/см2 не изменяются по сравнению с необлученным образцом, а начиная с дозы облучения 1016 ион/см2 увеличиваются.
Обнаружено, что среднее значение твердости образца многослойных плёнок Ti/Al на
17 2
поверхности титана ВТ1-00, облученного ионами аргона дозой 10 ион/см увеличилось в 3.9 раза, приведенный модуль упругости в 2.5 раза по сравнению с необлученным образцом, при максимальной глубине индентирования 40 нм.
Выявлено, что степень упрочнения, упругий параметр восстановления образца многослойных плёнок Ti/Al на поверхности титана ВТ1 -00, облученного ионами аргона дозой 1017 ион/см2 увеличивается соответственно на 56.5 % и на 105 %, а индекс пластичности уменьшается на 24 %, по сравнению с образцом в исходном состоянии, при максимальной глубине проникновения алмазного наконечника 40 нм.
Установлено, что в немногих точках проведения процедуры индентированием исследуемого образца многослойных плёнок Ti/Al на поверхности титана ВТ1-00,
17 2
облученного дозой ионного облучения 10 ион/см присутствует фазовое состояние, обладающее высокими значениями твердости до 24.6 ГПа и приведенного модуля упругости до 1147 ГПа, при максимальной приложенной силе 1 мН.
Работа выполнена в рамках Государственных заданий Министерства науки и высшего образования РФ № 121030100002-0 и № 0427-2019-0029.
Исследования выполнялись с использованием оборудования ЦКП "Центр физических и физико-химических методов анализа, исследования свойств и характеристик поверхности, наноструктур, материалов и изделий" УдмФИЦ УрО РАН, поддержанного Минобрнауки в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы" (Уникальный идентификатор проекта - RFMEFI62119X0035).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлинич С. П., Белов В. Д., Аликин П. В., Петровский П. В., Фадеев А. В. Интерметаллид Т1-А1 начинает путь в Российскую авиацию // Литейщик России. 2013. № 3. С. 21-24.
2. Белов В. Д., Павлинич С. П., Фадеев А. В. Интерметаллид Т1-А1 - материал завтрашнего дня для Российского авиационного двигателестроения // Литейщик России. 2013. № 11. С. 12-14.
3. Павлинич С. П., Зайцев М. В. Применение интерметаллидных титановых сплавов при литье узлов и лопаток ГТД с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей нового поколения // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. Т. 15, № 4(44). С. 200-202.
4. Яковлев А. Л., Кашапов О. С., Путырский С. В., Алексеев Е. Б., Кочетков А. С. Современные направления развития титановых сплавов для авиационной техники // Титан. 2020. № 3-4(69). С. 35-47.
5. Григоренко С. Г., Григоренко Г. М., Задорожнюк О. М. Интерметаллиды титана. Особенности, свойства, применение. (Обзор) // Современная электрометаллургия. 2017. № 3(128). С. 51-58.
6. Ковтун А. И., Мямин С. В. Интерметаллидные сплавы. Электронное учебное пособие. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2018. 77 с.
7. Электронный ресурс Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ). Авиационное материаловедение URL: https: //viam .ru/review/2942 (дата обращения 19.04.2021).
8. Mitsuhiro T., Masashi K. Making Lighter Aircraft Engines with Titanium Aluminide Blades. The current state of net shape casting // IHI Engineering Review, 2014, vol. 47, no. 1, pp. 10-13.
9. Ночовная Н. А., Иванов В. И., Алексеев Е. Б., Кочетков А. С. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов титана // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 196-205.
10. Курзина И. А., Шаркеев Ю. П., Козлов Э. В. Формирование наноинтерметаллидных фаз в условиях ионной имплантации // В кн.: Структура и свойства перспективных металлических материалов / под. ред. А.И. Потекаева. Томск: Изд-во НТЛ, 2007. С. 159-195.
11. Legostaeva E.V., Sharkeev Yu.P. Regularities and mechanisms of molybdenum ion-implanted ferrite-perlite steel // Трение и износ. 2002. Т. 23, № 5. С. 529-536.
12. Lavrent'yev V. I., Pogrebnyak A. D. An influence of ion beams upon iron and steels // Металлофизика и новейшие технологии. 1996. Т. 18, № 11. С. 18-39.
13. Плешивцев Н. В., Красиков Е. А. Защита от коррозии металлов, сплавов и сталей ионной бомбардировкой (обзор) // Металлы. 1995. № 4. С. 98-129.
14. Комаров Ф. Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. 216 с.
15. Шушков А. А., Воробьев В. Л., Вахрушев А. В., Быков П. В., Баянкин В. Я. Механические свойства углеродистой стали Ст.3, облученной ионами аргона с различными плотностями ионного тока // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 1. С. 97-105.
16. Воробьев В. Л., Быков П. В., Баянкин В. Я., Шушков А. А., Вахрушев А. В., Орлова Н. А. Изменение механических свойств углеродистой стали Ст.3 в зависимости от средней плотности тока в пучке при импульсном облучении ионами аргона // Физика и химия обработки материалов. 2012. № 6. С. 5-9.
17. Панин П. В., Ночовная Н. А., Каблов Д. Е., Алексеев Е. Б., Ширяев А. А., Новак А. В. Фазовый состав и структура титановых сплавов // В кн.: Практическое руководство по металлографии сплавов на основе титана и его интерметаллидов. М.: ВИАМ, 2020. С. 42-65.
18. Мартиросян В. А., Сасунцян М. Э. Получение мах-фаз в системе Ti-Al-C методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и исследование их состава и микроструктуры // Вестник Национального политехнического университета Армении. Металлургия, материаловедение, недропользование. 2018. № 2. С. 45-53.
19. Шушков А. А., Вахрушев А. В. Методы определения механических свойств наноструктур // Химическая физика и мезоскопия. 2018. Т. 20, № 1. С. 57-71.
20. Вахрушев А. В., Федотов А. Ю., Вахрушев А. А., Шушков А. А., Шушков А. В. Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик нанообъектов и композиционных материалов на их основе // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 4. С. 486-495.
21. Вахрушев А. В., Шушков А. А. Способ определения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона материала микро- и наночастиц // Патент РФ № 2297617, 2007.
22. Вахрушев А. А., Федотов А. Ю., Шушков А. А., Шушков А. В. Моделирование формирования наночастиц металлов, исследование структурных, физико-механических свойств наночастиц и нанокомпозитов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2011. № 2. С. 241-253.
23. Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // Journal of Materials Research, 1992, vol. 7, iss. 6, pp. 1564-1583.
24. Кумахов М. А., Комаров Ф. Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах. Минск: Изд-во БГУ, 1979. 319 с.
25. Bykov P. V., Vorob'ev V. L., Klimova I. N., Kolotov A. A., Drozdov A. Yu., Bayankin V. Ya., Alexandrova S. S. Formation of the titanium - aluminum intermetallic compounds by ion-beam mixing // Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1713, pp. 012012(1-5).
26. Хохлова Ю. А., Ищенко Д. А., Хохлов М. А. Индентирование от макро- до нанометрового уровня и примеры исследований свойств материалов с особой структурой // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2017. № 1. С. 30-36.
27. Тополянский П. А., Тополянский А. П., Ермаков С. А., Канаев А. Т., Бийжанов С. К., Сарсембаева Т. Е. Сертификация материалов и покрытий по физико-механическим характеристикам поверхностного слоя // Вестник современных исследований. 2018. № 10.1(25). С. 354-366.
Research of Physical and Mechanical Properties of Surface Layers of Multilayer Ti/Al Films After Ion-Beam Mixing
Shushkov A. A., Bykov P. V., Vorob'ev V. L., Vakhrushev A. V., Bayankin V. Ya.
Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. A study and comparative analysis of the physical and mechanical properties of the surface layers of Ti/Al multilayer films on the surface of titanium VT1-00, depending on the dose of argon ion irradiation, was carried out. It is found that the average value of the hardness, the reduced modulus of elasticity of the sample irradiated with argon ions increases starting from the radiation dose of 1016 ions/cm2. It was found that the hardness, the reduced modulus of elasticity, and the degree of hardening at an indentation depth of 40 nm of a sample irradiated with argon ions at a dose of 1017 ions/cm2 increased by 3.9 and 2.5 times and by 56.5%, respectively. It was found that in some few indentation points of the test sample irradiated with a dose of 1017 ion/cm2, there is a phase with increased values of hardness up to 24.6 GPa and reduced elastic modulus up to 1147 GPa.
KEYWORDS: hardness, reduced modulus of elasticity, plasticity index, degree of hardening, elastic recovery parameter, nanoindentation, multilayer films, titanium, aluminum, ion-beam mixing.
REFERENCES
1. Pavlinich S. P., Belov V. D., Alikin P. V., Petrovskiy P. V., Fadeev A. V. Intermetallid Ti-Al nachinaet put' v Rossiyskuyu aviatsiyu [Ti-Al intermetallic compound starts for Russian aircraft]. Liteyshchik Rossii [Foundry of Russia], 2013, no. 3, pp. 21-24. (In Russian).
2. Belov V. D., Pavlinich S. P., Fadeev A. V. Intermetallid Ti-Al - material zavtrashnego dnya dlya Rossiyskogo aviatsionnogo dvigatelestroeniya [Intermetalloid Ti-Al is the future material for Russian aircraft engine production industry]. Liteyshchik Rossii [Foundry of Russia], 2013, no. 11, pp. 12-14. (In Russian).
3. Pavlinich S. P., Zaytsev M. V. Primenenie intermetallidnykh titanovykh splavov pri lit'e uzlov i lopatok GTD s oblegchennymi vysokoprochnymi konstruktsiyami dlya aviatsionnykh dvigateley novogo pokoleniya [Application of in-termetallic titanic alloys in parts and gas-turbine engine blade castings with lightweight high-strength constructions of new aircraft engine generations]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Ufa State Aviation Technical University], 2011, vol. 15, no. 4(44), pp. 200-202. (In Russian).
4. Yakovlev A. L., Kashapov O. S., Putyrskiy S. V., Alekseev E. B., Kochetkov A. S. Sovremennye napravleniyaya razvitiya titanovykh splavov dlya aviatsionnoy tekhniki [Modern trends in titanium alloys development for aircraft]. Titan [Titanium], 2020, no. 3-4(69), pp. 35-47. (In Russian).
5. Grigorenko S. G., Grigorenko G. M., Zadorozhnyuk O. M. Intermetallidy titana. Osobennosti, svoystva, primenenie. (Obzor) [Modern trends in the development of titanium alloys for aviation technology]. Sovremennaya elektrometallurgiya [Advances in Electrometallurgy], 2017, no. 3(128), pp. 51-58. (In Russian). https://doi.org/10.15407/sem2017.03.08
6. Kovtun A. I., Myamin S. V. Intermetallidnye splavy [Intermetallic alloys]. Elektronnoe uchebnoe posobie. Tolyatti: TGU Publ., 2018. 77 p.
7. Elektronnyy resurs VIAM. Aviatsionnoe materialovedenie [Electronic resource VIAM. Aviation materials science]. URL: https://viam.ru/review/2942 (accessed April 04, 2021).
8. Mitsuhiro T., Masashi K. Making Lighter Aircraft Engines with Titanium Aluminide Blades. The current state of net shape casting. IHIEngineering Review, 2014, vol. 47, no. 1, pp. 10-13.
9. Nochovnaya N. A., Ivanov V. I., Alekseev E. B., Kochetkov A. S. Puti optimizatsii ekspluatatsionnykh svoystv splavov na osnove intermetallidov titana [Ways of optimizing the properties of alloys based on titanium intermetallides]. Aviatsionnye materialy i tekhnologii [Aviation Materials and Technologies], 2012, no. S, pp. 196-205. (In Russian).
10. Kurzina I. A., Sharkeev Yu. P., Kozlov E. V. Formirovanie nanointermetallidnykh faz v usloviyakh ionnoy implantatsii [Formation of nanointermetallic phases under ion implantation conditions]. V kn.: Struktura i svoystva perspektivnykh metallicheskikh materialov [Structure and properties of promising metal materials]. Pod. red. A.I. Potekaeva. Tomsk: NTL Publ., 2007, pp. 159-195. (In Russian).
11. Legostaeva E.V., Sharkeev Yu.P. Regularities and mechanisms of wear of ferritic-pearlitic steel implanted with molybdenum ions. Journal of Friction and Wear, 2002, vol. 23, no. 5, pp. 56-62. (In Russian).
12. Lavrent'yev V. I., Pogrebnyak A. D. An influence of ion beams upon iron and steels. Metallofizika i noveishie tekhnologii [Metallophysics and Advanced Technologies], 1996, vol. 18, no. 11, pp. 18-39. (In Russian).
13. Pleshivtsev N. V., Krasikov E. A. Zashchita ot korrozii metallov, splavov i staley ionnoy bombardirovkoy (obzor) [Corrosion protection of metals, alloys and steels by ion bombardment (review)]. Metally [Metals], 1995, no. 4, pp. 98-129. (In Russian).
14. Komarov F. F. Ionnaya implantatsiya v metally [Ion implantation in metals]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1990. 216 p.
15. Shushkov A. A., Vorobev V. L., Vakhrushev A. V., Bykov P. V., Bayankin V. Ya. Mekhanicheskie svoistva uglerodistoi stali St.3, obluchennoi ionami argona s razlichnymi plotnostyami ionnogo toka [Mechanical properties of carbon steel St.3 irradiated with argon ions with different ion current densities]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2012, vol. 14, no. 1, pp. 97-105. (In Russian).
16. Vorobev V. L., Bykov P. V., Bayankin V. Ya., Shushkov A. A., Vakhrushev A. V., Orlova N. A. Izmenenie mekhanicheskikh svoistv uglerodistoi stali St.3 v zavisimosti ot srednei plotnosti toka v puchke pri impulsnom obluchenii ionami argona [Mechanical properties of carbon steel changes with the beam mean current density under pulsed irradiation with ar ions]. Fizika i khimiya obrabotki materialov [Physics and Chemistry of Material Processing], 2012, no. 6, pp. 5-9. (In Russian).
17. Panin P. V., Nochovnaya N. A., Kablov D. E., Alekseev E. B., Shiryaev A. A., Novak A. V. Fazovyy sostav i struktura titanovykh splavov [Phase composition and structure of titanium alloys]. V kn.: Prakticheskoe rukovodstvo po metallografii splavov na osnove titana i ego intermetallidov [In book: A practical guide to metallography of alloys based on titanium and its intermetallic compounds]. Moscow: VIAM Publ., 2020, pp. 42-65. (In Russian).
18. Martirosyan V. A., Sasuntsyan M. E. Poluchenie makh-faz v sisteme Ti-Al-C metodom samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza i issledovanie ikh sostava i mikrostruktury [Obtaining max-hases in the Ti-C-Al system by the method of self-propagating high-temperature synthesis and investigating their composition and microstructures]. Vestnik Natsional'nogo politekhnicheskogo universiteta Armenii. Metallurgiya, materialovedenie, nedropol'zovanie [Proceedings of NPUA -Proceedings "Metallurgy, material science, mining engineering"], 2018, no. 2, pp. 45-53.
19. Shushkov A. A., Vakhrushev A. V. Metody opredeleniya mekhanicheskikh svoistv nanostruktur [Methods of nanostructures mechanical properties determination]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2018, vol. 20, no. 1, pp. 57-71.
20. Vakhrushev A. V., Fedotov A. Yu., Vakhrushev A. A., Shushkov A. A., Shushkov A. V. Issledovanie mekhanizmov formirovaniya nanochastits metallov, opredelenie mekhanicheskikh i strukturnykh kharakteristik nanoobektov i kompozitsionnykh materialov na ikh osnove [Study of process formation of metal nanoparticles, determination of mechanical and structural parameters of nanoobjects and composites with its]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2010, vol. 12, no. 4, pp. 486-495.
21. Vakhrushev A. V., Shushkov A. A. Sposob opredeleniya modulya uprugosti Yunga i koeffitsienta Puassona materiala mikro- i nanochastits [Method for determining Young's modulus of elasticity and Poisson's ratio of material of micro- and nanoparticles]. Patent RU 2297617, 2007.
22. Vakhrushev A. A., Fedotov A. Yu., Shushkov A. A., Shushkov A. V. Modelirovanie formirovaniya nanochastits metallov, issledovanie strukturnykh, fiziko-mekhanicheskikh svoistv nanochastits i nanokompozitov [Modeling the formation of metal nanoparticles, study of the structural, physical and mechanical properties of nanoparticles and nanocomposites]. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki [Bulletin of the Tula State University. Natural Sciences, 2011, no. 2, pp. 241-253. (In Russian).
23. Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments. Journal of Materials Research, 1992, vol. 7, iss. 6, pp. 1564-1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
24. Kumakhov M.A., Komarov F.F. Energeticheskie poteri i probegi ionov v tverdykh telakh [Energy losses and ion runs in solids]. Minsk: BGU Publ., 1979. 319 p.
25. Bykov P. V., Vorob'ev V. L., Klimova I. N., Kolotov A. A., Drozdov A. Yu., Bayankin V. Ya., Alexandrova S. S. Formation of the titanium - aluminum intermetallic compounds by ion-beam mixing. Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1713, pp. 012012(1-5). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1713/1/012012
26. Khokhlova Yu. A., Ishchenko D. A., Khokhlov M. A. Indentirovanie ot makro- do nano- i primery issledovanii svoistv materialov s osoboi strukturoi [Indentation from macro- to nanometer level and examples of investigation of properties of materials with a special structure]. Tekhnicheskaya diagnostika i nerazrushayushchii control [Technical Diagnostics and Non-Destructive Testing], 2017, no. 1, pp. 30-36. (In Russian).https://doi.org/10.15407/tdnk2017.01.05
27. Topolyanskii P. A., Topolyanskii A. P., Ermakov S. A., Kanaev A. T., Biizhanov S. K., Sarsembaeva T. E. Sertifikatsiya materialov i pokrytii po fiziko-mekhanicheskim kharakteristikam poverkhnostnogo sloya [Certification of materials and coatings for physical and mechanical characteristics of the surface layer]. Vestnik sovremennykh issledovanii [Bulletin of Contemporary Research], 2018, no. 10-1(25), pp. 354-366. (In Russian).
Шушков Андрей Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Отдела моделирования и синтеза технологических структур, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 214583, e-mail: ligrim@mail.ru
Быков Павел Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности Отдела физики и химии поверхности, Физико-технический институт УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 430675, e-mail: bykovpv@udman. ru
Воробьёв Василий Леонидович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности Отдела физики и химии поверхности, Физико-технический институт УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 431573, e-mail: vasily_l.84@udman.ru
Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Отдела моделирования и синтеза технологических структур, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 214583, e-mail: vakhrushev-a@yandex. ru
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности Отдела физики и химии поверхности, Физико-технический институт УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412) 430173, e-mail: bayankinvya@udman. ru
