Наноструктурные термостабильные вакуумные конденсаты на основе железа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 544.344.015.032.1.032.4

НАНОСТРУКТУРНЫЕ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЕ ВАКУУМНЫЕ КОНДЕНСАТЫ

НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

© А.Е. Бармин, А.И. Ильинский, А.И. Зубков

Ключевые слова: нанокристаллические материалы; вакуумные конденсаты; термостабильность; сегрегация. Исследовано влияние термического воздействия на структуру и свойства вакуумных конденсатов Fe и Fe Представлены экспериментальные результаты, указывающие, что легирование железа вольфрамом (менее 1 ат. %) приводит к существенному повышению термостабильности структуры и свойств вакуумных конденсатов.

Нанокристаллические (НК) и субмикрокристалли-ческие (СМК) материалы обладают рядом уникальных физико-механических свойств [1, 2]. Одним из основных факторов, предопределяющих уникальность механических, физических, химических и др. свойств НК и СМК материалов, является изменение их термодинамического состояния. В общем случае термодинамическое неравновесие и, соответственно, повышение свободной энергии можно объяснить характерным для НК и СМК материалов обилием поверхностей раздела (межзеренные, межфазные границы), наличием неравновесных фаз и пограничных сегрегаций, остаточных напряжений и повышенной дефектностью кристаллического строения. Очевидно, что при термических и других энергетических воздействиях (радиационных, деформационных и т. д.) неизбежны рекристаллизаци-онные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления фазовых превращений, аморфиза-ции и кристаллизации. Все это будет оказывать влияние на структуру и, соответственно, на свойства НК и СМК материалов, что и предопределяет важность изучения их стабильности.

Деградация структуры и свойств подобных материалов происходит при более низких гомологических температурах по сравнению с крупнокристаллическими, иногда даже при комнатных температурах [3, 4]. Также имеется довольно много экспериментальных фактов, свидетельствующих о термической стабильности НК и СМК материалов [3, 5].

Считается [3, 4], что основными факторами, которые будут способствовать созданию термически стабильных СМК и НК материалов, является наличие нано- и микропор, пограничных сегрегаций, двух- или многофазных наноструктур, уменьшение зернограничной поверхностной энергии, образование пересыщенных твердых растворов, соответствующая морфология зерен и однородность их распределения по размерам.

В работе исследовано влияние термического воздействия на структуру и физико-механические свойства фольг Fe-W.

Фольги Fe-W толщиной ~30 мкм получали электронно-лучевым испарением в вакууме —1,3-10-3 Па и осаждением на неориентированные ситалловые подложки. Средняя по объему фольг Fe-W концентрация вольфрама составляла 0,8 ат. %.

Методами рештенодифрактометрии и электронной микроскопии контролировались размер зерна, период кристаллической решетки матрицы и фазовый состав; измерялись микротвердость, удельное электросопротивление. Изотермические отжиги производились при температуре 800 °С в вакууме —1,3^ 10-3 Па в течение

30, 60, и 90 мин.

Ранее было показано [6], что в исходном конденсированном состоянии фольги Fe-W (менее 1 ат. % W) имеют СМК и НК однофазную структуру. При этом наблюдаемое сильное диспергирование структуры железной матрицы фольг Fe-W связывалось с образованием сегрегаций вольфрама в приграничных областях зерен, что также должно способствовать повышению термической стабильности структуры и свойств [7].

Как и ожидалось, при изотермическом отжиге при Т = 800 °С в фольгах чистого железа уже в первые 30 мин. произошли процессы возврата и рекристаллизации, которые привели к увеличению среднего размера зерна — в 10 раз и уменьшению микротвердости и удельного электросопротивления почти до уровня чистого массивного железа (рис. 1-3).

а,»/ о_.

2

А] ,

3 /

О 30 60 90 Т, МИІІ

Рис. 1. Влияние времени изотермического отжига при температуре 800 °С на средний размер зерна: 1) Fe металлургического происхождения; 2) фольги Fe; 3) фольги Бе^

Кардинально иную картину наблюдали в фольгах Бе-М': во-первых, средний размер зерна не изменялся в течение всего времени отжига, во-вторых, конденсат оставался однофазным, частицы второй фазы не были

1996

Рис. 2. Влияние времени изотермического отжига на микротвердость фольг: 1) Fe; 2) Fe-W (температура отжига 800 °С)

расти с уменьшением d. Действительно, значительное повышение удельного электросопротивления металлических НК материалов отмечается многими исследователями [1, 2] и наблюдается на наших объектах (рис. 3). Обнаруженный факт заметного снижения величины р/р0 в пленках Fe-W при постоянном размере зерен свидетельствует об изменении коэффициента рассеяния г и, соответственно, уменьшении степени неравно-весности межзеренных границ при отжиге. Этот эффект может быть связан со снятием внутренних напряжений, залечиванием нанопор и несплошностей границ зерен и др. Считается, что подобная релаксация структуры предшествует росту зерен [1].

Действительно, при температурах выше 800 °С в пленках Fe-W развиваются процессы рекристаллизации, приводящие к существенному снижению прочностных характеристик [8]. Важно отметить, что в металлургических сплавах Fe-W подобные процессы происходят при температурах на 300 °С ниже.

Такая высокая термическая стабильность зеренной структуры фольг Fe-W по сравнению с Fe и сплавами Fe-W металлургического происхождения обусловлена сегрегационными выделениями легирующего компонента, которые образовались еще в процессе конденсации и очевидно стабилизируют границы зерен, препятствуя их миграции.

Таким образом, в работе показано, что легирование фольг железа, получаемых испарением и конденсацией в вакууме, вольфрамом позволяет существенно повысить термическую стабильность структуры и свойств.

ЛИТЕРАТУРА

Рис. 3. Влияние времени изотермического отжига на удельное электросопротивление фольг: 1) Fe; 2) Fe-W (температура отжига 800 °С)

обнаружены ни методами электронной микроскопии, ни рентгеноструктурным анализом. Снижение уровня механических свойств бинарной системы Fe-W за первые 30 мин. изотермического отжига связано с процессами отдыха.

Изучение температурной зависимости электросопротивления компактных НК и СМК материалов используется для анализа состояния межзеренных границ и определения температуры их релаксации. При этом удельное электросопротивление описывается соотношением вида:

ln

V

Po

(1)

где р, р0 - сопротивление поли- и монокристалличе-ской пленки соответственно; 1ц - средняя длина свободного пробега электрона в бездефектном монокристалле; d - средний размер зерна; г - коэффициент рассеяния электронов при переходе межзеренной границы.

Поскольку 0 < г < 1, то из приведенного соотношения следует, что сопротивление НК материалов должно

1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 20З с.

2. Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. Екатеринбург: УрО РАН, 200З. 279 с.

3. Андриевский Р.А. // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 10.

4. Gleiter Н. Nanostructured materials basic concept and microstracture // Acta Materialia. 2000. V. 48. Р. 1-29.

5. Kumpmann A., Gunther B., Kunze H.-D. Thermal stability of ultrafine-grained metals and alloys // Materials Science and Engineering. 1993. V. A168. Р. 165-169.

6. Barmin A.E., Zubkov A.I., Il'inskii A.I. Structural features of iron vacuum condensates alloyed with tungsten // Functional Materials. 2012. V. 19. № 2. Р. 256-259.

7. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. M.: Mетaл-лургия, 1967.

8. Бармин А.Е. Термическая стабильность структуры и свойств вакуумных конденсатов Fe и Fe-W // Вестник Национального технического университета «ХПИ». Новые решения в современных технологиях: сб. науч. тр., тематический выпуск. Харьков, 2012. Вып. 9. С. 82-87.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Barmin A.E., Ilinskiy A.I., Zubkov A.I. NANO-STRUCTURAL THERMAL STABILITY VACUUM CONDENSATES BASED ON IRON

The influence of thermal effects on the structure and properties of vacuum condensates of Fe and Fe-W are researched. Experimental results indicate that the alloying tungsten of iron (less than 1 at. %) leads to a significant increase thermal stability of the structure and properties of vacuum condensates are resulted.

Key words: nanocrystalline materials; vacuum condensates; thermal stability; segregation.

1997