Мезоструктурный уровень модификации никеля бором при электровзрывной обработке поверхности Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Мезоструктурный уровень модификации никеля бором при электровзрывной обработке поверхности

А.Я. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов1, Е.В. Мартусевич, В.Е. Громов

Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия 1 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634021, Россия

Методами дифракционной электронной микроскопии тонких фольг проведены послойные исследования никеля, подвергнутого электровзрывному легированию бором. Показано, что формирующаяся структура имеет ярко выраженный градиентный характер, вызванный изменением концентрации бора по глубине модифицированного при обработке поверхностного слоя. По мере удаления от поверхности легирования структура зоны расплава изменяется от нано- к субмикро- и микрокристаллической, содержащей различные объемные доли фаз разного химического состава.

Mesostructural level of nickel modification by boron during surface treatment

by electrical explosion

A.Ya. Bagautdinov, E.A. Budovskikh, Yu.F. Ivanov1, E.V Martusevich, and VE. Gromov

Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, 654007, Russia 1High-Current Electronics Institute SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

Methods of diffraction electron microscopy of thin foils are used to study layer by layer nickel subjected to electrical explosion alloying with boron. The formed structure is shown to have a pronounced gradient character induced by an in-depth change of boron concentration in the layer modified during surface treatment. As receding from the alloyed surface, the structure of the molten zone varies from the nano- to submicro- and microcrystalline structure with different volume fractions and chemical phase composition.

1. Введение

Импульсные гетерогенные плазменные струи, формируемые при электрическом взрыве проводников, могут эффективно использоваться для упрочнения и защиты поверхности металлов [1]. Для модельного описания и рационального выбора режимов такой обработки необходимо изучение ее основных особенностей. Их понимание невозможно без анализа структурно-фазовых превращений в модифицированных слоях. В связи с этим в настоящей работе была поставлена задача выявления на мезоструктурном уровне, т.е. на уровне фазового состава и дефектной подсистемы, закономерностей формирования поверхностного слоя никеля при электровзрывном легировании бором.

2. Материал и методика исследования

Исследовали пластины технически чистого никеля толщиной -2 мм после электровзрывной модификации поверхности. Материалом взрываемого по коаксиально-торцевой схеме [1] проводника служила никелевая фольга толщиной 50 мкм. При этом в область взрыва вводили порошковую навеску аморфного бора массой 60 мг, которая увлекалась гетерогенной плазменной струей продуктов взрыва и переносилась на облучаемую поверхность. Обработку осуществляли в режиме плавления поверхности. Энергозапас емкостного накопителя энергии составил 17 кДж. Время разряда — 100 мкс. Особенностью режима обработки, по сравнению с ранее выполненными исследованиями по наугле-

© Багаутдинов А.Я., Будовских E.A., Иванов Ю.Ф., Мартусевич E.B., Громов B.E., 2005

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение структуры образца никеля, подвергнутого электровзрывному легированию бором. Поверхность обработки: а — светлое поле; 6 — темное поле, полученное в рефлексе [002]№; в — микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс темного поля)

роживанию поверхности никеля [1], явилось то, что в данном случае происходило осаждение на поверхность конденсированных частиц продуктов взрыва фольги (мелкодисперсных капель) и последующее их конвективное перемешивание с расплавом основы. При этом толщина модифицированного легированием поверхностного слоя достигала 80-100 мкм. Исследования структуры и фазового состава модифицированного слоя никеля проводили методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг (прибор ЭМ-125) [2, 3]. Анализировали саму поверхность образца, а также слои, расположенные на глубине -1, 3, 5, 30 и 100 мкм.

3. Результаты исследования и их обсуждение

3.1. Структура приповерхностного слоя зоны расплава

На поверхности в результате обработки формируется структура нанокристаллического твердого раствора на основе никеля (рис. 1). Размеры кристаллитов никеля

изменяются в пределах dNi = 60-80 нм. Обнаруживаются сферические частицы субмикронных размеров (О = 0.3-0.5 мкм), по всей видимости, это частицы бора, не растворившиеся при электровзрывном легировании. Частиц второй фазы нанометрового диапазона не обнаружено. Следовательно, в результате кристаллизации расплава на поверхности формируется однофазная структура на основе нанокристаллического твердого раствора бора в никеле (далее по тексту №(Б)).

Удаление от поверхности на расстояние -0.3-0.5 мкм приводит к обнаружению двухфазной структуры, состоящей из нанокристаллического никеля №(Б) dNl = 25-30нм и расположенных по границам и в стыках границ частиц борида никеля состава №Б12 (рис. 2). Размеры частиц борида никеля изменяются в пределах 12-15 нм.

Из анализа результатов, приведенных на рис. 1 и 2 следует, что в обоих случаях микроэлектронограммы имеют квазикольцевое строение, что указывает на преобладающую большеугловую разориентацию кристаллитов никеля.

Рис. З. Электронно-микроскопическое изображение структуры образца никеля, подвергнутого электровзрывному легированию бором. Слой на глубине ~0.5 мкм: а — светлое поле; б, в — темные поля, полученные в рефлексах [002]Ni; [400] Ni4B3; г — микроэлектронограмма к (а). Стрелками на (г) указаны рефлексы темного поля: 1 — для рис. 3, б, 2 — для рис. 3, в

Вторым типом структуры, обнаруживаемым на данной глубине, являются так называемые ячейки концентрационного расслоения [4-6]. Размеры ячеек составляют 80-100 нм (рис. 3). Ячейки, судя по практически одинаковому контрасту, имеют малоугловую разориента-цию, объединяются в блоки размерами ~ 1 мкм. Ячейки разделены прослойками либо отдельно расположенными частицами второй фазы, средняя толщина (поперечные размеры) которых-----30-40 нм. Индицирование

микроэлектронограмм, полученных с данного типа субструктуры, показывает, что ячейки представляют собой твердый раствор на основе никеля, прослойки — бори-ды никеля состава №Б3 и №4Б3.

Удаление от поверхности легирования на глубину -1 мкм приводит к обнаружению структуры, сформированной фазами №(Б) и №4Б3. Средние размеры ячеек фазы №(Б) составляют -135-150 нм, частиц фазы №4Б3 — 70-170 нм. Особенностью данной структуры

является то, что основной фазой здесь является борид никеля, формирующий протяженные поля, а фаза №(Б) является островками, расположенными на данном поле (рис. 4). При этом объемная доля фазы №(Б), оценку которой проводили по отношению площади, занятой ячейками №(Б), к общей площади микрофотографии, составляет 25-30 %.

На глубине - 3 мкм данный тип структуры сохраняется, однако средние размеры ячеек №(Б) увеличиваются и составляют 250-300 нм; размеры частиц №4Б3 при этом уменьшаются до 30-40 нм по сравнению с предыдущим слоем. Особенностью данного типа структуры является наличие частиц борида никеля и в объеме ячеек №(Б). Частицы располагаются хаотически, имеют сферическую форму и средние размеры -2-3 нм (рис. 5).

На глубине - 5 мкм формируется субзеренная структура состава №(Б) (рис. 6). Средние размеры субзерен достигают -0.5 мкм. По границам субзерен наблюдают-

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение структуры образца никеля, подвергнутого электровзрывному легированию бором. Слой на глубине ~3 мкм: а, г, д — светлые поля; б — темное поле, полученное в рефлексе [111]Ni; в — микроэлектронограмма к (а) (стрелкой указан рефлекс темного поля)

ся тонкие прослойки борида никеля состава №4Б3, толщина которых составляет 50-75 нм. Как и в предыдущем типе структуры, в объеме субзерен никеля обнаруживаются частицы №4Б3, размеры которых изменяются в пределах 2.5-3 нм. Незначительная подполировка данной фольги (удаление от поверхности легирования на -0.5-1 мкм) приводит к обнаружению зеренной структуры на основе никеля с микронными размерами зерен, по границам и в объеме которых наблюдаются глобулярные частицы №4Б3 и №Б3 размером 130-150 нм.

В обобщенном виде структурно-фазовые изменения поверхностного слоя никеля, легированного бором, приведены в табл. 1. Анализируя представленные в данной таблице результаты, можно отметить следующее. На поверхности образца фиксируются частицы нерастворив-шегося бора, объемная доля и средние размеры которых быстро уменьшаются по мере удаления вглубь расплава. Одновременно с этим фиксируется образование частиц боридов никеля, химический состав которых закономерным образом изменяется (в сторону снижения относи-

Таблица 1

Структурно-масштабные уровни объема легирования, формирующиеся при кристаллизации зоны расплава никеля, модифицированного бором электровзрывным методом

Глубина расположения слоя, мкм Химический состав боридов Размеры кристаллитов никеля, нм Размеры частиц боридов никеля, нм Размеры частиц бора, нм

0 нет 60-80 нет 300-500

0.3 0.5 ^В12 25-30 12-15 35-40

№В3, №4В3 80-100 30-40 нет

~1 ^цВ3 3 ^/1 1 5 о 70-170 нет

~3 ^цВ3 250-300 30-40 нет

~5 ^цВ3 ~ 500 50-75 нет

~6 №В3, №4В3 ~ (5-10)-103 130-150 нет

тельного содержания атомов бора) по мере удаления от поверхности легирования: №В12 ^ №В3 ^ №4В3. Удаление от поверхности легирования вглубь образца сопровождается изменением средних размеров кристаллитов никеля и частиц боридов никеля. Средние размеры кристаллитов никеля устойчиво увеличиваются (за исключением поверхности легирования); средние размеры частиц боридов увеличиваются по кривой с максимумами, что обусловлено влиянием концентрационного и температурно-временного факторов. По мере удаления от поверхности легирования концентрация бора в расплаве снижается, время пребывания объема материала при относительно высоких температурах увеличивается.

3.2. Структура переходной зоны

На глубине ~30 мкм наблюдается формирование зе-ренной структуры никеля, размеры зерен которой изменяются в пределах 5-10 мкм. Особенностью данного слоя является высокая степень деформации материала. В

объеме зерен обнаруживаются сетчатая, ячеисто-сетчатая, полосовая и, сравнительно редко, фрагментированная (субзеренная) дислокационные субструктуры (рис. 7). Независимо от типа дислокационной субструктуры, в зернах наблюдаются изгибные экстинкционные контуры, указывающие на высокий уровень кривизны-кручения кристаллической решетки никеля [7]. Источниками полей напряжений, как правило, являются внутрифазные и межфазные границы раздела. Вдоль границ зерен и субзерен, а также в их стыках обнаруживаются частицы второй фазы, размеры которых составляют соответственно 250-300 и 60-70 нм. Микродифракционный анализ выявляет в основном присутствие частиц №3В.

3.3. Структура зоны вблизи границы плавления основы

Удаление вглубь материала на расстояние -100 мкм приводит к обнаружению зеренной структуры. В объеме зерен фиксируется ячеисто-сетчатая дислокацион-

Рис. 7. Электронно-микроскопическое изображение структуры образца никеля, подвергнутого электровзрывному легированию бором. Слой на глубине ~30 мкм; светлопольные изображения дислокационной субструктуры, формирующейся в материале

ная субструктура, скалярная плотность дислокаций -4 • 1010 см-2. По границам зерен в отдельных случаях наблюдаются тонкие протяженные прослойки (-25 нм) фазы №3В. Изредка обнаруживаются частицы оксида бора состава В70.

4. Заключение

В результате исследований поверхностного слоя никеля, легированного бором электровзрывным способом, выполненных электронно-микроскопическим микро-дифракционным методом тонких фольг, выявлено формирование многослойной структуры, характеристики фазового состава и дефектной субструктуры которой закономерным образом изменяются по мере удаления от поверхности обработки. Показано, что на поверхности облучения формируется слой нанокристаллического никеля, содержащего включения нерастворившихся частиц бора субмикронных размеров. Нижележащие слои толщиной до ~3 мкм формируются в результате ячеистой кристаллизации — ячейки являются твердым раствором бора в никеле, прослойки — боридами никеля. Выявлено закономерное изменение средних разме-

ров кристаллитов никеля и частиц боридов никеля по

мере удаления от поверхности легирования.

Литература

1. Будовских Е.А., Сарычев В.Д., Симаков В.П., Носарев П.С. Импульсное науглероживание никеля и меди воздействием плазменных пучков // Электронная обработка материалов. -1993. - № 4. - С. 20-24.

2. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 583 с.

3. Эндрюс К.В., Дайсон Д.Дж., Киоун С.Р. Электронограммы и их интерпретация. - М.: Мир, 1971. - 256 с.

4. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Дж. Поута, Г. Фоти и Д.Джекобсона. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.

5. Stinnett R.W., Buchheit R.G., Greulich F.A., et al. Thermal surface treatment using intense, pulsed ion beams // Material Research Society. - 1994. - V. 316. - P. 521-532.

6. Ivanov Yu., Matz W, Rotshtein V, Gunzel R., Shevchenko N. Pulsed electron-beams melting of high-speed steel: structural phase transformations and wear resistance // Surface and Coatings Technology. - 2002. - No. 150. - P. 188-198.

7. Громов В.Е., Козлов Э.В., Базайкин В.И. и др. Физика и механика волочения и объемной штамповки. - М.: Недра, 1997. -293 с.