CC BY
22
МЕЖФАЗНЫЕ СЛОИ И ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НИХ
УДК 537.534:539.422.24:620.178.152.34
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПОСЛЕ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ТЕРМООБРАБОТКИ
ВОРОБЬЕВ В.Л., БЫКОВ П.В., БЫСТРОВ С.Г., КОЛОТОВ А.А., БАЯНКИН В.Я., *КОБЗИЕВ В.Ф., **МАХНЕВА Т.М.
Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 *Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 **Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Исследовано влияние ионно-лучевого перемешивания алюминия методом ионной имплантации аргона в импульсно-периодическом режиме и термообработки на изменение состава поверхностных слоев, морфологии поверхности и твердости титанового сплава ВТ6. Показано, что при выбранных параметрах ионной имплантации аргона значительного перемешивания предварительно напыленной пленки алюминия до толщины ~30 нм не происходит, а после термообработки содержание алюминия снижается до следовых количеств - 1 - 2 ат.%. В процессе термообработки происходит интенсивное насыщение поверхностных слоев углеродом до ~60 ат.% и формирование карбида титана TiC.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: поверхностное упрочнение, механические свойства, ионно-лучевое перемешивание, состав поверхностных слоев, термообработка.
ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатационные характеристики металлов и сплавов, к числу которых относятся коррозионная и эрозионная стойкость, сопротивление разрушению, трению и износу, трещиностойкость в условиях коррозионной усталости и ряд других свойств, определяются структурно-фазовым состоянием поверхностных слоев [1 - 3]. Метод ионной имплантации является перспективным способом модификации эксплуатационных свойств многих конструкционных материалов и, в частности, титановых сплавов [4 - 6]. Данный метод позволяет в десятки раз сократить время и температуру воздействия на материал, производить селективную обработку отдельных участков детали, а также имеется возможность автоматизировать процесс обработки. Однако, ионный синтез - сложный физико-механический процесс, при котором формирование вторичных фаз, их морфология, структура и свойства поверхностных слоев определяются комплексом физических условий, и в зависимости от них могут изменяться в широких пределах. Внедрение ионов легирующего элемента в поверхностные слои титановых сплавов ионно-лучевыми методами приводит к образованию интерметаллидных вторичных фаз, обеспечивающих не только высокие механические свойства, но и хорошие физико-химические характеристики (антифрикционные и антикоррозионные).
В связи с этим представляло интерес исследовать влияние ионно-лучевого перемешивания алюминия и последующего пострадиационного отжига на формирование химического состава и структурно-фазового состояния поверхностных слоев титанового сплава ВТ6.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы титанового сплава ВТ6 представляли собой пластины с геометрическими размерами 9*9*2 мм , вырезанные из листа в состоянии поставки электроискровой резкой.
Образцы подвергались механической полировке с использованием полирующих паст и очистке в органических растворителях. Предварительная термическая обработка заключалась в выдержке при температуре 800 °С в течение 1 часа в вакууме ~10-4 Па с целью проведения процессов возврата образцов и их перехода в равновесное состояние. Охлаждение образцов проводили в вакууме при комнатной температуре.
Напыление алюминия производилось методом магнетронного распыления на установке
«Катод-1М» до толщины ~30 нм при температуре 200 °С для лучшей адгезии пленки и
образца. Перемешивание пленки алюминия осуществляли методом ионной имплантации
17 2
аргона в импульсно-периодическом режиме с энергией 30 кэВ, дозой облучения 10 ион/см , током в импульсе 10 мА, частотой следования и длительностью импульсов 100 Гц и 1 мс, соответственно, на оригинальной ионно-лучевой установке ПИОН - 1М на базе сверхвысоковакуумного поста УСУ - 4. Температура образцов во время ионного облучения контролировалась с помощью термопары и не превышала 100 °С. После ионно-лучевого перемешивания образцы подвергались пострадиационному отжигу при температуре 900 °С в течение 30 мин в вакууме ~10-4 Па и последующему охлаждению вместе с печью.
Исследования топографии поверхности образцов проводили методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на зондовом микроскопе SOLVER 47 PRO в контактном режиме. Средняя арифметическая шероховатость (Ra) поверхности исследуемых образцов рассчитывалась по АСМ изображениям 15 участков поверхности с базовым размером 1^1 мкм2 для каждого образца с помощью программы обработки данных зондового микроскопа.
Химический состав поверхностных слоев исследовался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометре SPECS, с использованием MgKa-излучения (1253,6 эВ) в сочетании с послойным травлением поверхности ионами аргона (расчетная скорость травления ~1 нм/мин).
Фазовый состав определяли качественно на рентгеновском дифрактометре D2 PHASER с геометрией Брегга-Брентано и линейным счетчиком LYNXEYE. Съёмку образца производили с использованием СиКа-излучения, анализ дифрактограмм - с помощью программного модуля "DIFFRAC.EVA", идентификацию фаз - с использованием базы данных PDF-2/Release 2010 RDB международного центра по дифракционным данным ICDD (The International Centre for Diffraction Data).
Микротвердость поверхностных слоев образцов до и после облучения измеряли методом вдавливания алмазного индентора на приборе ПМТ-3М при нагрузке 20 г и выдержке образца под нагрузкой в течение 5 с. Для повышения достоверности результата процедуру измерения производили не менее 20 раз.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования методом атомной силовой микроскопии показали, что ионно-лучевое перемешивание пленки алюминия методом ионной имплантации аргона в импульсно-периодическом режиме к изменению в морфологии поверхности образцов не приводит (таблица 1). Значение параметра шероховатости поверхности Ra для образца в исходном состоянии не отличается от значений Ra после напыления алюминия и ионной имплантации аргона.
Таблица 1
Изменение шероховатости поверхности образцов титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии, после напыления алюминия и после ионно-лучевого перемешивания
Образец Шероховатость Ra, нм СКО, нм
ВТ6 исходное состояние 8,4 2,9 (35 %)
ВТб+al (30 нм) 8,3 2,1 (25 %)
ВТб+al+ar 7,8 2,4 (31 %)
Рентгеновские фотоэлектронные исследования элементного состава тонких поверхностных слоев нанометрового диапазона титанового сплава ВТ6 до и после перемешивания выявили, что ионная имплантация аргона в импульсно-периодическом режиме с выбранными параметрами к значительному перемешиванию алюминиевой пленки толщиной ~30 нм с подложкой не приводит (рис. 1). Это может быть связано с невысокой энергией бомбардировки ионами аргона - 30 кэВ.
Рис. 1. Профили распределения элементов в поверхностных слоях титанового сплава ВТ6: а) в исходном состоянии, б) после напыления алюминия, в) после перемешивания и термообработки, г) после перемешивания
Пострадиационный отжиг образцов т.% после ионно-лучевого перемешивания при
температуре 900 °С в течении 30 мин в вакууме ~10-4 Па и последующего охлаждения вместе с печью приводит к снижению содержания алюминия в тонких поверхностных слоях до следовых количеств ~1 - 2 ат.% (рис. 1, в). Однако содержание углерода возросло существенно, что наглядно демонстрирует рис. 2. Если в исходном состоянии и после ионно-лучевого перемешивания содержание углерода изменяется в пределах 3 - 13 ат.%, то после пострадиационного отжига интегральное содержание углерода в тонких поверхностных слоях возросло до ~58 ат.% (рис. 2).
Анализируя и сравнивая рентгеновские фотоэлектронные спектры линий ^2р3/2 и линий С1б образцов в исходном состоянии, после перемешивания и пострадиационного отжига было выявлено образование в последнем случае в поверхностных слоях
, а1+аг
. а1+аг+Ю
Рис. 2. Интегральное содержание углерода в поверхностном слое ~30 нм образцов титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии, после перемешивания и термообработки
карбидоподобных соединений титана типа ТЮ, Т^С (рис. 3 и 4). Об этом свидетельствует сдвиг положения максимума линии ^2р3/2 на 0,8 эВ относительно его положения для исходного образца (рис. 3). В исходном состоянии значение энергии связи титана составляет 454,0 эВ, а после пострадиационного отжига происходит сдвиг линии 2р3/2 Т в сторону больших значений энергии связи до значения 454,8 эВ (рис. 3). На спектрах углерода С1б этого образца проявляется пик с энергией связи 281,8 эВ, не исчезающий по мере травления до глубины ~50 нм (рис. 4). Согласно справочным данным по рентгеноэлектронной спектроскопии эта энергия связи соответствует энергии связи углерода в карбидах [7], в частности, могут образоваться соединения типа ТЮ, Т^С (рис. 4).
Рис. 3. Спектры линии Ti2p образцов титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии на глубине ~10 нм, после ионно-лучевого перемешивания
на глубине ~40 нм, после перемешивания и пострадиационного отжига на глубине ~40 нм
Рис. 4. Спектры С^ углерода в поверхностных слоях нанометрового диапазона титанового
сплава ВТ6 после ионно-лучевого перемешивания и пострадиационного отжига
Действительно, качественный рентгенофазовый анализ дифрактограмм образцов на различных стадиях обработки показал, что после пострадиационного отжига образца при Т = 900 °С в вакууме и дальнейшем охлаждении вместе с печью до комнатной температуры происходит формирование в поверхностных слоях таких карбидов титана, как Т^С, ТЮ и карбонитрида Ti2CN (дифрактограмма 3 на рис. 5). В то время как на дифрактограммах соответствующим образцам в исходном состоянии и после ионно-лучевого перемешивания алюминия, качественно не отличающимся друг от друга, пики, отвечающие за эти фазы, не идентифицируются (дифрактограммы 1 и 2 на рис. 5, соответственно).
Измерение микротвердости показали, что если после ионно-лучевого перемешивания значение микротвердости в пределах разброса значений не отличается от микротвердости образца в исходном состоянии и составляет ~50 кГс/мм2, то после пострадиационного отжига значение микротвердости возросло более, чем на 30 % - до ~86 кГс/мм .
Рис. 5. Дифрактограммы образцов титанового сплава ВТ6: 1 - в исходном состоянии, 2 - после ионно-лучевого перемешивания алюминия, 3 - после перемешивания и термообработки
Таким образом, в результате проведенного исследования можно сделать следующее заключение. Ионная имплантация аргона в импульсно-периодическом режиме с Е = 30 кэВ металлической системы: титановый сплав ВТ6 с нанесенной на него пленкой алюминия толщиной ~30 нм к перемешиванию пленки алюминия и матрицы титанового сплава не приводит. В процессе пострадиационного отжига в вакууме ~10-4 Па при Т = 900 °С в течении 30 минут, по-видимому, происходит плавление «не сцепленной» с матрицей титанового сплава алюминиевой пленки и удаление ее с поверхности, поскольку температура плавления алюминия составляет ~660 °С. Содержание алюминия в поверхностных слоях снижается до следовых количеств 1 - 2 ат.%. Далее во время охлаждения образца вместе с печью с 900 °С до комнатной температуры углерод и азот остаточной атмосферы вакуума начинают осаждаться и диффундировать в поверхностные слои с образованием карбидов ^2С, ТЮ и карбонитрида титана ^СД, выделение которых приводит к упрочнению поверхностных слоев и к увеличению микротвердости более, чем на 30 %.
Рис. 5 Значение микротвердости образцов титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии, после ионно-лучевого перемешивания, после перемешивания и термообработки
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калин Б.А. Перспективные радиационные технологии в материаловедении // Инженерная физика. 1999, № 1. С. 3-10.
2. Терентьев В.Ф. Циклическая прочность современных металлических материалов с учетом рассмотрения полной кривой усталости // Перспективные материалы. 2004. № 5. С. 85-92.
3. Яковлева Т.Ю., Матохнюк Л.Е. Влияние скорости циклического нагружения на глубину зоны пластической деформации сплава ВНС-25 // Проблемы прочности. 2002. № 2. С. 62-65.
4. Шаркеев Ю.П., Рябчиков А.И., Козлов Э.В., Курзина И.А., Степанова И.Б., Божко И.А., Калашников М.П., Фортуна С.В., Сивин Д.О. Высокоинтенсивная ионная имплантация - метод формирования мелкодисперсных интерметаллидов в поверхностных слоях металлов // Известия высших учебных заведений. Физика. 2004. № 9. С. 44-52.
5. Курзина И.А., Козлов Э.В., Божко И.А., Калашников М.П., Фортуна С.В., Степанов И.Б., Рябчиков А.И., Шаркеев Ю.П. Структурно-фазовое состояние поверхностных слоев И, модифицированных при высокоинтенсивной имплантации ионов А1 // Известия РАН. Серия физическая. 2005. Т. 69, № 7. С. 1002-1006.
6. Сергеев В.П., Сунгатулин А.Р., Сергеев О.В., Пушкарев Г.В. Нанотвердость и износостойкость высокопрочных сталей 38ХН3МФА и ШХ-15, имплантированных ионами (А1-В), (И-В), И // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №1. С. 120-124.
7. Нефедов В.И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений : справочник. М. : Химия, 1984. 256 с.
MODIFICATION OF COMPOSITION OF SURFACE LAYERS OF TITANIC ALLOY Ti-6Al-4V AFTER ION-BEAM MIXING OF ALUMINIUM AND HEAT TREATMENT
Vorobiev V.L., Bykov P.V., Bystrov S.G., Kolotov A.A., Bayankin V.Ya., *Kobziev V.F., **Makhneva T.M.
Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia **Udmurt State University, Izhevsk, Russia
**Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian
SUMMARY. The effect of ion beam mixing of aluminum by ion implantation of argon in a repetitively pulsed mode and heat treatment on the change in the composition of the surface layers, the surface morphology and hardness of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied. It is shown that for the chosen parameters of argon ion implantation significant mixing of previously deposited aluminum film to a thickness of ~ 30 nm is not happening, and after heat treatment aluminum content is reduced to trace amounts - 1 - 2 at.%. During the heat treatment intense saturation of the surface layers with carbon takes place - up to about 60 at.%, and titanium carbide TiC is forming.
KEYWORDS: surface hardening, mechanical properties, ion-beam mixing, the composition of the surface layers, heat treatment.
Воробьев Василий Леонидович, кандидат технических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-15-73, e-mail: [email protected]
Быков Павел Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-06-75, e-mail: [email protected]
Быстров Сергей Геннадьевич, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН, e-mail: [email protected]
Колотов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН
Кобзиев Владимир Федорович, ведущий технолог УдГУ, e-mail: [email protected]
Махнева Татьяна Михайловна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-34-66, e-mail: [email protected]
