Термическая стабильность нанокомпозитов, кристаллизуемых в вакууме Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.3

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ НАНОКОМПОЗИТОВ, КРИСТАЛЛИЗУЕМЫХ В ВАКУУМЕ

© А.И. Зубков

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: конденсированные псевдосплавы; наноструктуры; термическая стабильность.

Исследовано влияние отжига до 1000 оС на структуру и свойства дисперсно-упрочненных нанокомпозитов бинарных систем Си - Мо, Ш, Та. Высокая термостабильность конденсатов связана с особенностями распределения легирующих элементов в объеме медной матрицы.

Изучали отделенные от подложки конденсаты бинарных систем Си-Мо ,Ш, Та, в которых отсутствует взаимная растворимость в жидком и твердом состояниях. Фольги толщиной до 50 мкм получали раздельным электронно-лучевым испарением составляющих компонентов и кристаллизацией смесей их паров на неориентирующей подложке в вакууме при фиксированных технологических условиях. Содержание легирующих элементов варьировали в диапазоне 0,2-1,0 атомных процентов. Объекты изучали как в исходном конденсированном состоянии, так и после отжигов, проводимых в интервале температур 500-1000 °С в течение 0,5 часа. Выбор температур отжига обусловлен данными работы [1], согласно которой при температурах ниже 500 °С в течение 2 часов не происходит заметных изменений в структуре и свойствах изучаемых объектов.

Структуру объектов изучали методами просвечивающей электронной микроскопии предварительно утоненных образцов и рентгеновской дифрактометрии по методикам, изложенным в работах [2]. Содержание молибдена, вольфрама и тантала регистрировали методом рентгеновского флюоресцентного спектрального анализа. Электросопротивление фольг контролировали компенсационным способом. Прочностные свойства изучали измерением микротвердости. Отжиг объектов осуществляли в вакууме с остаточным давлением не выше 10-2 Па.

Структура объектов в исходном конденсированном состоянии является двухфазной: в медной поликри-сталлической матрице, являющейся пересыщенным твердым раствором Мо, Ш, Та, распределены ОЦК частицы легирующего металла с размером до 10 нм (рж. 1) [2].

Морфология частиц второй фазы, степень растворимости легирующих элементов, размер зерен медной матрицы и, соответственно, физико-механические свойства зависят от содержания легирующих элементов и технологических условий получения [2]. При отжиге нанокомпозитов выше 600 °С происходит распад пересыщенных растворов Мо, Ш, Та в кристаллической решетке меди [1]. При этом возрастает размер

б)

Рис. 1. а) Исходное состояние конденсатов Cu-Mo; б) после огтжига 1000 °С 30 мин

1_ткт 14

Зависимость размера зерна конденсата С'и-\У от температуры отжига

12

10

—о <. > <1

О 200 400 600 800 1000 1200

—Ф— 0,25ат%\У п,,

Температура отжига. иС

О 0,8ат%\\'

Рис. 2.

Зависимость размера зерна конденсата 1лпкт Сч-Та от температуры отжига

0 200 400 600 800 1000 1200

1— 0,25ат%Та Т емпература отжига. °С

■0.4ат°оТа

Рис. 3.

частиц второй фазы и в определенных условиях наблюдается пик дисперсионного твердения [1]. Важным обстоятельством является то, что эти процессы не сопровождаются ростом зерна медной матрицы вплоть до 900 °С [3]. Предполагалось, что высокая термостабильность зеренной структуры связана с образованием сегрегаций на границах зерен медной матрицы при конденсации паровых смесей матричного металла и легирующего компонента. Полученные данные подтверждают указанные предположения. На электронномикроскопических изображениях, отожженных при 1000 °С нанокомпозитов, наблюдается двойная сетка границ зерен (рис. 1, б). Внутри рекристаллизованных зерен медной матрицы наблюдаются свободные области, окаймленные частицами Мо, Ш, Та. Размер этих областей хорошо коррелирует с величиной исходных зерен. Такое явление, называемое эффектом наследст-

Рис. 4.

Экспериментальные днные ♦ \У Рис. 5.

венности для сплавов металлургического происхожде-ния,наблюдаемое ранее авторами [4] и других работ, свидетельствует о сильной связи легирующих элементов с границами зерен и может быть использовано для выявления таких сегрегаций в наноструктурных материалах. Из рисунков 2-4 следует, что температура начала рекристаллизации медной матрицы зависит от состава нанокомпозитов. Среди изучаемых систем минимальной склонностью к росту зерна медной матрицы обладают конденсаты Си-Та.

Вместе с тем в изучаемых объектах можно проследить общие закономерности при протекании рекри-сталлизационных процессов. На рис. 5 представлена зависимость отношения размера отожженного зерна к исходному от концентрации легирующих элементов. Видно, что экспериментальные точки укладываются на одну кривую, характерной особенностью которой является выход на насыщение при концентрации Мо, Ш, Та более 0,5 ат.%. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о высокой термической стабиль-

ности и твердости зеренной структуры изучаемых материалов, которая обусловлена совместным влиянием нескольких стабилизирующих факторов: образованием аномальных растворов молибдена, вольфрама и тантала в кристаллической решетке меди, частиц второй фазы в объеме нанокомпозита и сегрегацией Мо, Ш, Та на границах зерен матричного металла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зубков А.И., Ильинский А.И., Подгорная О.А., Севрук В.И., СоколоПрусский Я.Г. О возможности старения быстрозакаленных сплавов Си-Мо // Физика металлов и металловедение. Свердловск, 1990. № 10. С. 197-199.

2. Зубков А.И. Структурообразование дисперсно-упрочненных композитов Си-Мо, Ш, Та полученных кристаллизацией из паровой фазы // Материалы XXXVIII семинара «Актуальные проблемы прочности» Сплавы с эффектом памяти формы и другие перспективные материалы. СПб., 2001. Ч. 2. С. 545-550.

3. Зубков А.И., Ильинский А.И., Зозуля Э.В. Зеленская Г.И., Дубина А.В. Термостабильность субмикро- и нанокристаллических псевдосплавов на основе меди // Актуальные проблемы прочности: сб. тез. 45 Международной конференции. Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. С. 120.

4. Хаютин С.Г., Шпиченецкий Е.С. К вопросу о «наследственности» строения границ зерен // Известия академии наук СССР. Металлы. 1968. № 2. С. 165-166.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Zubkov A.I. Vacuum crystallized nanocomposites thermal stability.

The influence of annealing till 1000 °C on structure and properties of Cu-Mo, W, Ta binary systems dispersionally strengthened nanocomposites have been investigated. High thermal stability of condensed materials is connected with features of distribution of alloying elements in volume of a copper matrix.

Key words: condensed pseudo-alloys; nanostructures thermal stability.