CC BY
1805.16.09 Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.25712^Ш2072-8921.2020.03.013 УДК 621.793.79
ВЛИЯНИЕ ГАММА-ОБЛУЧЕНИЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ SPS-СПЕКАНИЕМ
М. В. Логинова, А. В. Собачкин, А. А. Ситников, В. И. Яковлев, В. Ю. Филимонов, А. Ю. Мясников, А. В. Градобоев
Приведены экспериментальные исследования по влиянию Y-облучения с накопленной дозой DY = 5106 Гр на структурно-фазовые состояния активированных порошковых смесей системы Ti-A—Nb до SPS-спекания и на структурно-фазовые характеристики спеченных продуктов из не облученной и предварительно облученной порошковых смесей. Экспериментально установлено, что после воздействия на спеченный продукт из предварительно облученной механоактивированной смеси состава 71(50 ат.%) + А1(25ат.%) +^ (25ат.%) Y-об-лучения с накопленной дозой DY = 5106 Го при сохранении фазового состава спеченного продукта (О-фаза (Т12А1ЩВ2) и а2 (Т13А1)) происходит формирование особого радиационно-индуцированного состояния. Оно характеризуется расщеплением дифракционных пиков, изменением их параметров, упорядочению структурного состояния наблюдаемых соединений и формированию из них отдельных кластеров. Также наблюдается изменение морфологии спеченных продуктов из облученной смеси, проявляющееся в появлении сверхструктуры, представленной областями зародышеобразования кристаллитов и областями разрушения ламеллярной структуры. Для спеченного продукта из необлученной порошковой смеси после Y-облучения особого радиационно-индуцированного состояния не выявлено.
Ключевые слова: гамма-облучение, механоактивация, порошковая смесь, SPS-спекание, рентгеновская дифрактометрия, структурные параметры, кристаллическая решетка.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных направлений в области разработки новых композиционных материалов с модифицированной структурой является исследование эффектов, возникающих с применением ионизирующего излучения в металлических материалах и сплавах [1, 2]. Экспериментально установлено, что радиационного воздействие, в частности, облучение Y-квантами [3] способствует стимулированию диффузионных процессов, ускорению химических превращений в материалах, а при соответствующем изменении тонкой структуры (размеров кристаллитов и уровня микродеформаций) может формироваться особое радиационно-индуцированное состояние, характеризующееся изменением структуры и свойств веществ [4, 5]. Обнаружено, что при таком состоянии в структуре формируются нанокластеры, предположительно состоящие из тех же атомов, что и матрица, но имеющие другую кристаллическую симметрию [6, 7]. Также, в зависимости от накопленной дозы и исходного структурного состояния материалов, могут происходить процессы ра-диационно-стимулированной диффузии, связанные с релаксацией локальных механических напряжений и упорядочению структуры [8-9].
Известно, что одним из эффективных способов получения высококачественных изделий из порошковых материалов, в т. ч. системы Ti-Al-Nb, является электроимпульсное плазменное спекание [10-11]. Однако термодинамические свойства Ti, Al и Nb, включая температуру плавления, плотность и коэффициент диффузии, сильно различаются [1213]. Поэтому целесообразно до спекания применять предварительную обработку порошковых смесей (механоактивацию и y-облучение) [14], которая позволит влиять на структурно-фазовое состояние спеченных продуктов [15]. Поскольку ионизирующее воздействие способствует формированию модифицированных материалов, исследование влияния Y-облучения на структурно-фазовое состояние спеченных продуктов системы Ti-Al-Nb является актуальной задачей.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
В качестве объектов исследований использовались образцы системы Ti-Al-Nb, полученные методом электроимпульсного плазменного спекания. (SPS). Образцы спекались из порошковых смесей, состоящих из порошка титана ПТХ, алюминия АСД-1 и ниобия НбП-1а состава Ti (50 ат.%) + А1(25ат.%) + №(25ат.%). Сначала порошковые смеси подвергались активационной обработке. Для механоакти-
вации использовали планетарную шаровую мельницу АГО-2. Время активации - 7 мин., энергонапряженность шаровой мельницы -40 g.
Далее порошковые смеси были разделены на две партии. На одну воздействовали Y-облучением с поглощенной дозой Dy = 5104 Гр. Гамма-облучение механоактивиро-ванных порошковых смесей, а также спеченных продуктов проводили на установке «Исследователь» (изотоп 60Со) (НИИПП, г. Томск).
Затем осуществляли SPS-спекание порошковых смесей обеих партий на установке SPS-515S (Syntex Inc., Япония), в вакууме (5 10-2 мБар), при Тсп = 1300 °С, Р = 20 МПа. Изменение линейных размеров материала в процессе спекания регистрировалось встроенными средствами технологического оборудования. Температура в процессе спекания регистрировалась пирометром.
На следующем этапе уже спеченные образцы обеих партий подвергали дополнительному воздействию Y-облучения с поглощенной дозой Dy = 5l06 Гр для выявления влияния воздействия Y-облучения на структурно-фазовые характеристики SPS-образ-цов.
Структурно-фазовый анализ образцов проводили на дифрактометре ДРОН-6, с CuK а-излучением (Л = 1,5418 А). Обработку экспериментальных данных осуществляли с помощью пакета PDWin.
Исследования микроструктуры спеченных образцов на поперечном шлифе проводили с помощью программно-аппаратного комплекса «Thixomet Pro», включающем инвертированный металлографический микроскоп «Carl Zeiss Axio Observer Z1m». Шлифование образцов осуществляли на шлифо-вально-полировальном станке FORCIPOL 1V. Травление образцов на основе Ti-Al-Nb проводили в растворе 50 % плавиковой кислоты. Время травления составляло от 2 до 5 с.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 1, а приведена дифракто-грамма порошковой смеси Ti + AI + Nb после механоактивационной обработки. На дифрак-тограмме идентифицируются уширенные дифракционные отражения a-Ti, AI и Nb. Повышенный диффузный фон свидетельствует о наличии дефектов в продукте размола и малых размерах кристаллитов. Дополнительные соединения после механоактивации не образуются. После воздействия Y-облучения с дозой Dy = 5104 Гр на дифрактограмме (рисунок 1, б) практически не меняются значения интенсивностей отражений. Уширенные пики косвенно свидетельствуют о сохранении на-ноструктурного состояния кристаллитов и о наличии остаточных микродеформаций.
Рисунок 1 - Дифрактограмма порошковой смеси состава Ti + AI + Nb: а) механоактивированной;
б) после облучения с Dy = 5104 Гр
На основании анализа полученных ди-фрактограмм были проведены расчеты структурных параметров элементарных ячеек для титана, алюминия и ниобия до и после высокоэнергетических воздействий на порошковую смесь. Предварительная механоактивацион-ная обработка незначительно меняет параметры ячеек Д А1 и Nb порошковой смеси. После Y-облучения с дозой DY = 5104 Гр структурные параметры компонентов близки к исходным. Так, структурные параметры титана: исходный порошок а = 2,94 А, после механоактивации а = 2,93 А, а = 2,94 А после облучения; исходный порошок с = 4,66 А, после механоактивации с = 4,72 А, с = 4,68 А после облучения. Структурные параметры алюминия: исходный порошок а = 4,04 А, после механоактивации а = 4,03 А, а = 4,04 А
после облучения. Структурные параметры ниобия: исходный порошок а = 3,30 А, после механоактивации а = 3,31 А, а = 3,30 А после облучения.
На следующем этапе производилось SPS-спекание обработанных порошковых смесей. На рисунке 2 представлены характерные изменения основных рефлексов, имеющих максимальную интенсивность на дифрак-тограммах спеченных продуктов до и после Y-облучения из механоактивированной без Y-облучения порошковой смеси Т + А1 + №. После воздействия Y-облучения с накопленной дозой DY = 5106 Гр на спеченный продукт из механоактивированной необлученной смеси Т + А1 + Nb фазовый состав продукта не изменился.
1. «к.«.
ее
В2
а2
О-фаза
вг\
О-фаза Ю к, а2
А Дкл№
уг? V1
-14
Рисунок 2 - Дифракционные отражения от основных плоскостей фаз спеченного продукта из механоактивированной необлученной смеси (а) и продукта после облучения с DY = 5106 Гр (б)
На дифрактограммах наблюдаются незначительные изменения формы основных дифракционных отражений, характеризуемые увеличением их ширины. При этом значения межплоскостных расстояний основных фаз остаются неизменными.
На рисунке 3 представлены характерные изменения основных рефлексов, имеющих максимальную интенсивность на дифракто-граммах спеченных продуктов до и после Y-
облучения из предварительно облученной механоактивированной смеси Т + А1 + Nb.
После дополнительного воздействия на спеченный продукт из облученной механоак-тивированной смеси гамма-облучения с дозой DY = 5106 Гр изменения фазового состава не выявлено, однако на дифрактограмме (рисунок 3) происходят изменения, характеризуемые расщеплением основных отражений на более выраженные пики ^3А1 и В2, совместно с повышением значений их
интенсивностеи и уменьшением ширины уменьшение межплоскостных расстоянии большинства пиков. При этом наблюдается кристаллических ячеек на 0,01...0,02 А.
Рисунок 3 - Дифракционные отражения от основных плоскостей фаз спеченного продукта из облученной механоактивированной смеси (а) и продукта после облучения с DY = 510 Гр (б)
Можно предположить, что дополнительное Y-облучение в спеченном продукте при сохранении фазового состава способствует формированию особого радиационно-индуцированного состояния, идентифицированного по расщеплению дифракционных
рентгеновских максимумов, упорядочению структурного состояния наблюдаемых соединений, формированию из них отдельных кластеров, что характеризуется изменением форм и параметров пиков на дифрактограм-мах после гамма-облучения [3].
Рисунок 4 - Микроструктуры SPS-продуктов из облученной механоактивированной смеси (а) и продукта после воздействия Y-облучения с дозой DY = 510 Гр (б)
О формировании особого состояния после дополнительного Y-облучения уже спеченного SPS-продукта из облученной порош-
ковой смеси Т + А1 + Nb свидетельствуют представленные на рисунке 4 микроструктуры. После дополнительного Y-облучения
SPS-продукта наблюдается изменение морфологии, проявляющееся в появлении сверхструктуры, представленной областями заро-дышеобразования кристаллитов и областями разрушения ламеллярной структуры, выявленной после SPS-спекания без дополнительного гамма-облучения. Преимущественный рост микрокристаллитов предположительно направлен по нормали к ламелям и плоскости шлифа (рисунок 4, б).
ВЫВОДЫ
1. После дополнительного воздействия y-облучения с накопленной дозой Dy = 5106 Гр на спеченный продукт из облученной механо-активированной смеси Ti + Al + Nb фазовый состав сохраняется (О-фаза (Ti2AlNb), В2 и а2 (Ti3Al)). Однако дополнительное воздействие Y-облучения на спеченный продукт способствует формированию особого радиационно-индуцированного состояния, характеризуемого расщеплением дифракционных отражений основных фаз, упорядочению структурного состояния наблюдаемых соединений и формированию из них отдельных кластеров. Также наблюдается изменение морфологии, проявляющееся в появлении сверхструктуры, представленной областями зародышеобра-зования кристаллитов и областями разрушения ламеллярной структуры.
2. После воздействия дополнительногоу-облучения с накопленной дозой Dy = 5106 Гр на спеченный продукт из механоактивирован-ной необлученной смеси состава Ti + Al + Nb выявлено, что фазовый состав продукта не изменился: Ti2AlNb, Ti3Al и В2. Особого ра-диационно-индуцированного состояния не выявлено, на дифрактограмме, в отличие от предварительно облученной смеси, наблюдаются лишь незначительные изменения формы основных дифракционных отражений, характеризуемые увеличением их ширины.
Работа проводилась в рамках государственного задания (FZMM-2020-0002) и гранта Президента РФ (соглашение 075-152020-234).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Two dimensional y—irradiation for promoted structural properties of MgB2 superconductors / M. M. A. Sekkina, K. M. Elsabawy // Physica C. -2002. - V. 377. - P. 411-415.
2. Effects of 6 MeV electron irradiationon ZnO nanoparticles synthesized by microwave method / K. B. Sapnar, V. Bhoraskar, S. D. Dhole, L. A. Ghule, K. M. Garadkar // Proceedings of Particle Accelerator Conference, New York, USA, NY. - 2011. - P. 1-13.
3. The evolution of structural and phase states of titanium aluminides after y irradiation in small doses / M. V. Loginova, V. I. Yakovlev, A. A. Sitnikov, A. V. Sobachkin, S. G. Ivanov, A. Z. Negodyaev, A. V. Gradoboev // Physics of Metals and Metallography. - 2017. - V. 118 - № 2. - P. 170-175.
4. Synchrotron in situ studies of mechanical activation treatment and Y-radiation impact on structural-phase transitions and high-temperature synthesis parameters during the formation of Y-(TiAl) compound / M. Loginova, A. Sobachkin, A. Sitnikov, V. Yakovlev, V. Filimonov, A. Myasnikov, M. Sharafutdinov, B. To-lochko, A. Gradoboev // Journal of Synchrotron Radiation. - 2019. - V. 26. - № 3. - P. 1671-1678.
5. Radiation-induced plastic deformation and the long-range action effect / V. A. Stepanov, V. S. Khme-levskaya // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. - 2011. - V. 56. - № 9. - P. 12721276.
6. X-ray diffraction analysis of the influence of the absorbed Y-irradiation dose on Ti3Al structural characteristics / M. V. Loginova, V. I. Yakovlev, A. A. Sitnikov, V. Y. Filimonov, A. V. Sobachkin, A. V. Gradoboev // Journal of Surface Investigation. - 2018. - V. 12 -№ 3. - P. 480-484.
7. Radiation- and Thermally-Induced Phosphorus Inter-Granular Segregation in Pressure Vessel Steels / Z. Lu, R. Faulkner, R. Jones, P. Flewitt // Journal of ASTM International. - 2005. - V. 2. -№ 8. - P. 1-15.
8. Радиационно-стимулированное изменение электронной структуры / А. Шалаев, А. Адаменко. -М. : Атомиздат, 1977. - 176 с.
9. Radiation Effects in Solids / K. E. Sickafus, E. A. Kotomin, B. P. Uberuaga // NATO Science Series. - 2007. - 235 p.
10. The analysis of the electric heating of the WC-Co hard-alloy under consideration of the temperature dependence / А. Raichenko // Journal de Physique IV. - 1993. - Vol. 3. - P. 1235-1239.
11. Физические основы технологии электроимпульсного плазменного спекания: электронное учебно-методическое пособие / М. С. Болдин. -Электрон. текст. дан. - Нижний Новгород : Нижегородский госуниверситет, 2012. - URL : http://window.edu.ru/resource/411/79411 (дата обращения 25.07.2020).
12. The effects of forging and rolling on microstructure in O+BCC Ti-Al-Nb alloys / C. J. Boehlert // Mater. Sci. Eng. A. - 2000. - V. 279. - P. 118-129.
13. Microstructure controlling by heat treatment and complex processing for Ti2AlNb based alloys / J.H. Peng, Y. Mao, S.Q. Li, X.F. Sun // Mater. Sci. Eng. A. - 2001. - V. 299. - P. 75-80.
14. Formation of structural states in mechanically activated powder mixtures Ti + Al exposed to gamma irradiation / M. V. Loginova, V. I. Yakovlev, V. Y. Filimonov, A. A. Sitnikov, A. V. Sobachkin, S. G. Ivanov, A. V. Gradoboev // Letters on Materials. -2018. - V. 8. - № 2. - P. 129-134.
15. Stimulation of processes of self-propagating high temperature synthesis in system Ti + Al at low temperatures by influence of Y-quanta / A. V. Sobachkin, M. V. Loginova, A. A. Sitnikov, V. I. Yakovlev,
V. Yu. Filimonov, A. V. Gradoboev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2018. -V. 327. - P. 032051.
Логинова Марина Владимировна - с.н.с. ПНИЛ СВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Собачкин Алексей Викторович - с.н.с. ПНИЛ СВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Ситников Александр Андреевич - директор ПВКПИиР, д.т.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Яковлев Владимир Иванович - доцент кафедры НТТС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Филимонов Валерий Юрьевич - профессор кафедры физики, д.ф.-м.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Мясников Андрей Юрьевич - зав. лабораторией, ПНИЛ СВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Градобоев Александр Васильевич -профессор Отделения контроля и диагностики Инженерной школы неразрушающе-го контроля и безопасности, д.т.н., ТПУ, е-mail: [email protected].
