Механизм модифицирования алюминиево-кремниевого сплава нанопорошками (на примере нитрида титана) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Решетневск.ие чтения

JS, G

К u, 107 erg/cm3

2 1.5 1

0.5 0

2/

.o

'*3

-oJJV

о--»

,0-^0------° <? --О .

i

b 6 \

3

Hb-

150 300 450 600 750 900

Рис. 2. Изменение магнитных свойств: а - намагниченности насыщения; Ь - эффективной константы анизотропии в зависимости от температуры отжига. Кривая 1 соответствует образцу ссодержанием 8ш 18 а! %, кривые 2 и 3 - 33 и 75 а! % 8ш соответственно

В процессе термообработки помимо структурных изменений исследовались также изменения намагниченности насыщения (,/8), константы двухосной (маг-нитокристаллографической) анизотропии (К4), определялись критические температуры твердофазных ре-

акций и происходящих при этом фазовых превращений. Результаты измерений магнитных параметров представлены на рис. 2.

Большая двухосная магнитокристаллическая анизотропия (порядка 107 erg/cm3) в наших образцах вызвана эпитаксиальным ростом фаз Co5Sm и Co17Sm2, а их ориентационные соотношения с подложкой, определяющие направление легких осей намагничивания, зависят от соотношения толщин Co и Sm и температуры термообработки. Цепочки превращений и ориентация фаз в зависимости от этих параметров выглядят следующим образом.

Для пленочной структуры состава 18 и 33 at. % Sm:

a-Co/a-Sm/a-Co ^ (360 oC) Co5Sm(110) + Sm2Ü3 ^

^ (560 oC) Co5Sm(110) + ConSm2(110) + Sm2Ü3

Для пленок состава 75 at. Sm:

a-Co/a-Sm/a-Co ^ (360 oC) Co5Sm(101)(110) + + CosSm(110)(202) + a-Sm ^ (560 oC) Co5Sm(101) + + CosSm(110) + + Sm2Ü3 ^ (800 oC) Sm2Ü3 + a-Co

Библиографические ссылки

1. Singh A., Neu V., Tamm R. et al. // Appl. Phys. Lett. 2005. 87. 072505.

2. Fullerton E. E., Samuel J. J., Sowers C. H. et al. // Appl. Phys. Lett. 1998. 72. 380.

3. Myagkov V. G., Zhigalov V. S., Bykova L. E., Bondarenko G. N. // JMMM. 2006. 305. 534.

I. A. Krutopv

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

V. S. Zhigalov

L. V. Kirensky Institute of Physics, Russian Academy of Science, Siberian Branch, Russia, Krasnoyarsk HIGH-ANISOTROPIC CoSm FILMS' PHASES. SYNTHESIS AND RESEARCH

Films, got in the result of solid pfase reactions at a-Co(110)/Sm/Co structure heat treatment, preliminary reined in the Mg0(001) bottom layer by means of thermal vaporization in vacuum were studied.

© Крутов И. А., Жигалов В. C., 2010

1200

800

400

a

0

Tan, "О

УДК 669.14.018.28

Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова, А. А. Мишин

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

МЕХАНИЗМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВОГО СПЛАВА НАНОПОРОШКАМИ (НА ПРИМЕРЕ НИТРИДА ТИТАНА)

Предложен механизм модифицирования алюминиево-кремниевък сплавов нанопорошками на примере нано-порошка нитрида титана ТЫ.

Большая группа алюминиево-кремниевых литейных сплавов доэвтектического состава применяется в машиностроении для изготовления литых деталей, работающих в сложно-нагруженных условиях.

При этом с целью измельчения структуры литых деталей и, как результат, повышения механических свойств получаемых из них литых деталей, сплавы обрабатываются в жидком состоянии флюсами, содержащими натрийсодержащие соли.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

Однако в случае необходимости получения литых деталей ответственного назначения, к которым предъявляются повышенные требования по уровню механических свойств и эксплуатационных характеристик в составе изделий, работающих в экстремальных условиях, такой способ модифицирования не дает желаемого эффекта.

Работа выполнена на машиностроительном предприятии при литье детали транспортного средства, работающей в сложно-нагруженных условиях эксплуатации, отливаемой из сплава типа АЛ4. При этом наружная поверхность отливки оформлялась в металлической форме, внутренняя - с помощью песчаного стержня, в котором была также устроена литниково-питающая система.

Требуемый уровень механических свойства сплава в отливках в термически обработанном состоянии согласно технической документации: временное сопротивление разрушению ств > 350 МПа, предел текучести ст0,2 > 240 МПа, относительное удлинение 5 > 5,0 %, твердость по Бринеллю НВ - в пределах 1 100.. .1 170 МПа.

При работе по стандартной заводской технологии механические свойства не всех отливок удовлетворяли таким, достаточно жестким требованиям. Поэтому было предпринято исследование с целью повышения их уровня. Новизной в работе явилось применение для модифицирования нанопорошка TiN, полученного методом плазмохимического синтеза [1].

После расплавления в индукционной печи всех компонентов шихты расплав дегазировали при 750 °С гексахлорэтаном С2С16 (негигроскопичная соль), затем его модифицировали стандартным тройным модификатором (25,0 % NaF + 12,5 % KCl + 62,5 % NaCl) в количестве 1,5.2,0 масс. % от массы плавки (недостатки - взаимодействие с материалом плавильной емкости, малое время сохранения эффекта модифицирования, гигроскопичность солей и др.), который засыпался на зеркало металла и после 15-минутной выдержки замешивался в расплав, затем продукты взаимодействия модификатора с расплавом счищались с поверхности металла, после чего вместо стандартного модифицирования заводской чушковой лигатурой Al-10 %Ti (недостаток - длительный процесс растворения) в расплав путем замешивания до полного растворения вводили 1,2 кг пруткового (0 9,5 мм) модификатора, приготовленного путем прессования частиц алюминия с нанопорошком нитрида титана TiN. Содержание этого соединения в прутке составляло порядка 2,5.2,8 %. Количество любого из НП при последующем их введении в различные сплавы не превышало 0,05 %, а в отдельных случаях составляло тысячные доли процента. Расход прутка при этом составляет 20...25 кг на 1 т металла.

Из обработанного по описанной технологии сплава при 710.720 °С заливали три детали. От каждой плавки одновременно в кокиль заливали по три пробы, из которых впоследствии после термообработки в одной садке с деталями вырезали образцы для испытания механических свойств.

В результате проведенной работы были получены отливки с требуемыми механическими свойствами, которые после соответствующей механической обра -ботки успешно прошли в составе изделий стендовые и эксплуатационные испытания.

В данном исследовании, несмотря на то, что время разливки сплава после окончания металлургической обработки продолжалась существенно дольше регламентного, механические свойства всех трех отливок практически не различались.

Можно полагать, что модифицирующее воздействие НП на структуру сплава связано со свойствами используемых в данной работе для этой цели нанопо-рошков. Во-первых, все они обладают высокой тем -пературой плавления, во-вторых, они имеют низкую реакционную способность, в-третьих, они обладают высокой седиментационной устойчивостью в жидкостях. Если значение двух первых свойств достаточно понятно, то относительно третьей характеристики можно сказать следующее. Даже если вводимые в металлические расплавы модифицирующие агенты по известному набору характеристик отвечают соответствующим требованиям, то не во всех случаях они работают достаточно эффективно из-за оседания под действием силы тяжести. Частицы же НП обладают исключительно высокой седиментационной устойчивостью из-за своих малых размеров и высокой удельной поверхности по причине, установленной А. Эйнштейном [2], который показал, что для частиц размером до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести. Поэтому частицы НП, можно сказать, обладают двойным модифицирующим воздействием: во-первых, они служат центрами кристаллизации, а, во-вторых, будучи весьма многочисленными по количеству и находясь длительное время во взвешенном состоянии, блокируют диффузию соответствующих атомов (кластеров, блоков) к зарождающимся и растущим кристаллам, что, в конечном счете, и способствует формированию мелкокристаллической структуры литых изделий. Кроме того, нами установлено [3], что частицы НП могут упрочнять присутствующие в расплавах интерметаллические соединения. Все эти эффекты и ведут к повышению механических свойств тех же литых изделий.

Библиографические ссылки

1. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В. П. Сабуров, А. Н. Черепанов, М. Ф. Жуков и др. // Новосибирск : Наука. Сиб. издат. фирма РАН, 1995.

2. Эйнштейн А., Смолуховский М. Броуновское движение. М.-Л. : ОНТИ, 1936.

3. Крушенко Г. Г., Балашов Б. А. Упрочнение частиц Т1Л13 в алюминиевом композиционном материале // Литейное производство. 1995. № 10. С. 16-17.

Решетневские чтения

G. G. Krushenko, S. N. Reshetnikova, А. А. Mishin Computational Modeling Institute, Russian Academy of Science, Siberian Branch, Russia, Krasnoyarsk

THE MECHANISM OF ALUMINIUM-SILICON ALLOYS INOCULATION BY NANOPOWDERS (AT NANOPOWDER OF TITANIUM NITRIDE EXAMPLE)

The mechanism of aluminium-silicon alloys inoculation by nanopowders at nanopowder of titanium nitride example is suggested.

© Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Мишин А. А., 2010

УДК 535.4

С. А. Лященко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

С. Н. Варнаков

Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

КОМПОНЕНТНО-ГРАДИЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ Fe НА Si(100) ПО ДАННЫМ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ*

При исследовании методом спектральной эллипсометрии наноструктуры Fe, напыленной на нагретую до температуры 450 °C поверхность Si(100), продемонстрирован процесс подбора оптимальной модели полученной структуры, варьированием её химического состава и геометрии.

Получение стабильных наноструктур металла, диэлектрика или полупроводника на поверхности монокристаллического кремния - это путь к созданию электронных элементов с высокими эксплуатационными характеристиками, такими как малое время задержки элементов интегральных схем, высокий КПД солнечных батарей, однородность электрических изоляторов и защитных покрытий.

После напыления тонких структур в вакууме необходимо определять как качество самой поверхности, так и характеристики получаемых структур, в том числе толщину и концентрации отдельных компонент в слое. Существуют многочисленные методы определения свойств поверхностных структур [1]. Например, оптические методы основаны на исследовании коэффициентов отражения и экстинкции, фазовых сдвигов, вносимых присутствием вещества, угловых зависимостей этих сдвигов и т. п. Одним из таких методов, активно развивающихся в последние годы, является метод спектральной эллипсометрии [2]. Оптические характеристики исследуемых структур находятся посредством номограмм, построенных по результатам решения прямой задачи эллипсометрии [2].

Измерения эллипсометрических параметров осуществлялись ex situ на установке быстродействующе-

го спектрального эллипсометра с использованием программного комплекса Spectr, поиск и оптимизация модели производились в программном пакете «Градиент SE». Данные снимались в четырехзонном режиме [3] при угле падения света 70°. Получены спектральные зависимости углов ¥ и Д в диапазоне длин волн падающего излучения от 400 до 850 нм. Напыление железа производилось в сверхвысоком вакууме при температуре подложки 450 °С в течение 10 минут при скорости осаждения 0,027 А/с. Были найдены решения обратной задачи эллипсометрии для моделей структуры, с переходами по геометрии - от однородной пленки с резкими границами раздела к островко-вым образованиям; по химическому составу - от первичных элементов при напылении к химическим соединениям между Бе, Si и воздухом.

Расхождение экспериментальной кривой с оптимизированной модельной зависимостью было найдено как функция минимизации вида

/ А>> teor I i meas > i=1

где p ° tgY- eiD - комплексная величина отношения коэффициентов Френеля; N - количество точек спектра.

*Работа выполнена в рамках программы № 4.1 ОФН РАН «Спинтроника», программы Президиума РАН № 27.10, интеграционного проекта СО РАН и ДВО РАН № 22, федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (коды проектов: НК-179П/ГК П1464, НК-556П/ГК П555).