О роли зернограничных сегрегаций в формировании наноструктур вакуумных псевдосплавов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

температурной деформации под высоким давлением // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 1. С. 26-30.

8. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. С. 600.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по теме «Импульс» и при частичной поддержке проектов Президиума РАН № 12-П-2-1053, Президиума УрО РАН № 12-П-2-1016п, М10. Структурные исследования выполнены в ЦКПЭМ ИФМ УрО РАН, СЦ СТИ ИЯФ СО РАН.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Tolmachev T.P., Pilyugin V.P., Chernyshov E.G., Solodo-va I.L., Ancharov A.I., Antonova O.V., Brytkov D.A. STRUCTURE AND PROPERTIES OF Cu-Ag NONEQUILIBRIUM SOLID SOLUTIONS OBTAINED BY SEVERE PLASTIC DEFORMATION

Compacting and mechanical alloying of Cu - x at. % Ag (x = 10; 20; ...; 90) powders using by severe plastic deformation under pressure are investigated. The formation of nanocrystalline (20 nm) solid solutions of Cu-Ag system of non-equilibrium conditions and which split up to the components after room temperature aging and hitting, is revealed. A positive deviation of Ve-gard’s law linear relation is established. Besides, hardness of solutions by 7-7.5 times exceeds hardness of each pure component deformed. Shear strength vs. strain is measured.

Key words: Cu-Ag; nanocrystals; non-equilibrium solid solution; deformation; shear strength; pressure; defects; mechanical alloying; decay of solution.

УДК 669.187.001.2

О РОЛИ ЗЕРНОГРАНИЧНЫХ СЕГРЕГАЦИЙ В ФОРМИРОВАНИИ НАНОСТРУКТУР ВАКУУМНЫХ ПСЕВДОСПЛАВОВ

© А.И. Зубков, А.И. Ильинский, О.В. Соболь

Ключевые слова: вакуумные конденсаты на основе меди; сегрегации на границах зерен; диспергирование; псевдосплавы.

Изучены закономерности формирования структуры и прочностных свойств вакуумных псевдосплавов Си-Мо, получаемых РУЭ-технологней. Показано, что диспергирование зеренной структуры медной матрицы псевдосплавов Си-Мо обусловлено образованием зернограничных сегрегаций Мо.

Известно, что «полезные» примеси [1], образуя сегрегации на границах зерен матричного металла в процессе формирования, способствуют диспергированию его структуры и повышают многие функциональные свойства материала. Вместе с тем существующие общие критерии выбора таких элементов [2] не указывают способов их размещения по границам зерен матричного металла. В этой связи вакуумные технологии, позволяющие получать в виде пленок, фольг и покрытий металлы любого состава в контролируемых условиях, являются перспективными для определения факторов, способствующих концентрированию таких примесей на границах зерен получаемых металлов, в т. ч. и иными технологиями.

В работе изучены закономерности формирования структуры и прочностных свойств вакуумных псевдосплавов Си-Мо. Особенностью этой системы является отсутствие в ней химических соединений и взаимной растворимости в равновесных условиях. В массивном состоянии такие материалы, называемые псевдосплавами, получают порошковыми технологиями и используют в виде электроконтактных и электродных материалов.

Объектами исследования служили фольги толщиной до 50 мкм, отделенные от неориентирующих подложек, которые получали в различных технологических условиях. Концентрацию молибдена С (ат. %) варьировали в интервале 0,1-2 ат. %. На рис. 1 представлены концентрационные зависимости размера зер-

на медной матрицы (X) конденсатов, полученных при различных температурах поверхности осаждения (Тп).

Видно, что как для ТпЬ так и для Тп2 при содержании молибдена менее одного атомного процента наблюдается резкое снижение величины X с последующим выходом на постоянное значение. Повышение Тп приводит к увеличению минимально достигаемого размера зерна и уменьшению концентрации молибдена, соответствующего точкам перегиба зависимости Х-(Сат).

Отметим, что скорость конденсации оказывает противоположное влияние на эти параметры [3].

Анализ данных рентгеновской дифрактометрии и электронно-микроскопических изображений структуры конденсатов с концентрациями молибдена, соответствующими ниспадающей ветви зависимостей Х—(Сат), свидетельствует об отсутствии частиц второй фазы и растворимости молибдена в ГЦК решетке меди. Структура псевдосплавов с содержанием молибдена, которое соответствует горизонтальному участку зависимостей /„), является двухфазной. В объеме медной матрицы, которая является аномальным пересыщенным раствором молибдена, распределены частицы ОЦК молибдена нанометровой размерности [4].

Таким образом, содержание молибдена в областях выхода зависимостей £-/(Сат) на горизонтальные участки есть, вероятно, то его количество, которое достаточно для полного блокирования роста зерен медной матрицы при конденсации двухкомпонентного пара

1994

меди и молибдена. Расчет, проведенный по методике, предложенной в работе [5], показывает, что это количество атомов молибдена способно образовать примерно один монослой на поверхности растущих зерен меди. Эти результаты, а также данные работы [6], свидетельствующие о высоком значении теплоты адсорбции меди на молибдене, составляющей 1,4 эВ, дают основания предполагать, что сегрегации молибдена на поверхности растущих зерен меди образуются по механизму монослойной адсорбции [7].

Рис. 1. Концентрационные зависимости размера зерна псевдосплавов Си-Мо, полученных при разных температурах подложки (Тп1 < Тп2)

рицы до нано- и субмикрометровой размерности и сохранять ее при последующем нагреве до высоких температур [9].

Такое структурное состояние обусловливает высокие прочностные свойства изучаемых материалов, превосходящие традиционные сплавы на основе меди металлургического происхождения (рис. 2) и позволяет объяснить термическую стабильность зеренной структуры этих объектов [9].

ВЫВОДЫ

Экспериментальные результаты, полученные в данной работе, свидетельствуют о том, что диспергирование зеренной структуры медной матрицы при конденсации обогащенного медью двухкомпонентного пара Си-Мо обусловлено образованием сегрегаций молибдена на поверхности растущих зерен меди. Полное блокирование их роста происходит при содержании молибдена в псевдосплаве достаточном для формирования его атомами монослоя на их поверхности. Эти сегрегации, по-видимому, снижают поверхностную энергию границ зерен медной матрицы и повышают их когезионную прочность. В результате псевдосплавы Си-Мо, получаемые РУБ-технологией, обладают высокими и термостабильными прочностными свойствами [9].

ЛИТЕРАТУРА

Рис. 2. Зависимость временного предела прочности сплавов на основе меди и конденсатов Си-Мо от концентрации легирующих элементов

Поверхностная активность атомов молибдена по отношению к меди, проявляющаяся при конденсации двухкомпонентного пара, что приводит к нарушению принципа А.А. Жуховицкого [8], связана, по-видимому, с отсутствием растворимости молибдена в кристаллической решетке меди в равновесных условиях. Отметим, что нарушение этого принципа наблюдается при межкристаллитной адсорбции примесей в сплавах металлургического происхождения [2]. Таким образом, при получении обогащенных медью псевдосплавов Си-Мо РУБ-технологией молибден для меди, согласно концепции [2], является полезной примесью, позволяющей измельчать зеренную структуру медной мат-

Фирстов С.А., Подрезов Ю.Н., Даниленко Н.И. Концепция «вредных» и «полезных» нримесей в структурной инженерии границ раздела наноматерилов // НАНАСИС. 2004. C. 67-68.

Гликман Е.Э., Брувер Р.Э. Равновесная сегрегация на границах зерен и интеркристаллитная хладноломкость твердых растворов // Металлофизика. К.: Наук. думка, 1972. N° 43. С. 42-63.

Зубков А.И., Глущенко М.А., Островерх А.А. Структура вакуумных псевдосплавов С^Мс. Влияние концентрации молибдена и условий конденсации // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник праць. 2012. М 66 (972). С. 186-189.

Зубков А.И., Панова Ю.В. Структура и прочность нанофазных конденсатов Cu-Mo // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник праць. 2011. М 24. С. 93-98 .

Зубков А.И., Островерх А.А. О модифицирующем влиянии молибдена на вакуумные конденсаты меди // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник нраць. 2012. С. 155-159.

Yen Y.-W., Kuo Y.-L. Investigation of thermal stability of Mo thin-films as the buffer layer and various Cu metallization as interconnection materials for thin film transistor-liquid crystal display applications // Thin Solid Films. 2007. V. 515. М 18. 25 June. P. 7209-7216.

Зенгуил Э. Физика поверхности. М.: Мир, 1990. 530 с.

Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургия, 1964.

Зубков А.И. Термическая стабильность нанокомнозитов, кристаллизуемых в вакууме // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 846-848.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Zubkov A.I., Ilinskiy A.I. A.I., Sobol O.V. ABOUT ROLE OF GRAIN BOUNDARY SEGREGATIONS IN FORMATION OF NANOSTRUCTURES OF VACUUM PSEUDO-ALLOYS Regularities of structure formation and strength properties of vacuum pseudo-alloys of Cu-Mo received by PVD technology are studied. It is shown that molybdenum segregations on a surface of growing copper grains increase cohesive durability and reduce superficial energy of grain boundaries in a copper matrix of the pseudo-alloys.

Key words: vacuum condensates on the basis of copper; grain boundary segregations; disperse.

1995