Процеси перемішуванмя та масопереносу в системах Та-Fe та Мо-Fе під дією низькоенергетичного високострумного електронного пучка

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПРОЦЕСИ ПЕРЕМІШУВАННЯ ТА МАСОПЕРЕНОСУ В СИСТЕМАХ Та/Fe ТА Mo/Fe ПІД ДІЄЮ НИЗЬКОЕНЕРГЕТИЧНОГО ВИСОКОСТРУМНОГО ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА.

01.04.07.-- фізика твердого тіла.

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

БРАТУШКА СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Суми -- 1999

АНОТАЦІЯ

Братушка С.М. Процеси перемішуванмя та масопереносу в системах Та- Fe та Мо- Fе під дією низькоенергетичного високострумного електронного пучка. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07- фізика твердого тіла. - Сумський державний університет, Суми, 1999 р.

Дисертація присвячена вивченню питань формування приповерхневого шару систем “тонка плівка з тугоплавкого металу - товста залізна основа” внаслідок дії концентрованих потоків енергії (КПЕ), а також вивченню властивостей отриманних систем. Встановлено, що в результаті такої дії в приповерхневому шарі утворюється складна структура, що суттєво відрізняється від початкового стану. Наведені методики та результати чисельних розрахунків температурних полів та полів напруг, що виникають внаслідок дії КПЕ у системах Та-Fе та Мо-Fе, а також результати дослідження будови, фізичних та механічних властивостей отриманих покриттів. Основні результати роботи знайшли застосування при поліпшенні службових характеристик конструкційних матеріалів.

Ключові слова: Низькоенергетичні високострумні електронні пучки, масоперенос, дифузія, обернене розсіювання, мікроскопія, приповерхневий шар, структура, моделювання, дислокація.

плівка покриття метал енергія

АННОТАЦИЯ

Братушка С. Н. Процессы перемешивания и массопереноса в системах Та-Fе и Мо- Fе под воздействием низкоэнергетического сильноточного электронного пучка. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Сумский государственный университет, Сумы, 1999 г.

В последнее время благодаря достижениям в области физики высоких плотностей энергии разработаны новые методы модификации поверхностных свойств материалов. Для этих целей используют концентрированные потоки энергии (КПЭ). К ним относятся электронные, ионные и лазерные пучки, а также потоки плазмы. При оценке действия таких источников энергии на твердое тело основными факторами, влияющими на происходящие в приповерхностных слоях процессы, являются: тип частиц, их энергия, время воздействия и доля внесенной энергии.

С точки зрения практического использования, наиболее перспективными являются электронные пучки с энергией частиц до 50 кэВ, плотностью мощности 105 - 108 Вт/см2 и длительностью импульса 10-4 - 10-7 с. Воздействие таких потоков частиц на твердое тело происходит в условиях сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения, что в сочетании с высокими давлениями позволяет получать метастабильные состояния вещества, в том числе и аморфные, свойства которых могут существенно отличаться от свойств материала в равновесном состоянии.

При наличии на поверхности материала тонкой пленки из тугоплавкого металла помимо явлений закалочного характера могут наблюдаться явления легирования подложки (основы), перераспределения элементов покрытия и основы с образованием стабильных и метастабильных соединений.

Однако физическая сторона многих процессов, происходящих при взаимодействии КПЭ с поверхностью твердого тела, до конца не раскрыта. Это связано главным образом с отсутствием систематических экспериментальных исследований элементного и фазового состава модифицированных слоев, а также недостаточно полным теоретическим анализом процессов, происходящих при таком взаимодействии.

Диссертация посвящена исследованию взаимодействия твердого тела с концентрированными потоками энергии, закономерностей формирования приповерхностных слоев в системах “тонкая пленка из тугоплавкого металла - железная основа” в результате такого воздействия, а также исследованию структуры и свойств полученных систем. В качестве объектов исследования были выбраны системы Та-Fе и Мо-Fе.

В рамках поставленных целей исследования решались следующие задачи: математическое моделирование процессов массо- и теплопереноса в системах Та/Fe и Мо/Fe с последующим численным решением методом сеток полученного уравнения теплопроводности; исследование элементного и фазового состава, служебных характеристик модифицированных поверхностных слоев указанных систем; определение оптимальных режимов воздействия низкоэнергетических сильноточных электронных пучков (НСЭП) на системы Та/Fe и Мо/Fe.

Показано, что в результате такого воздействия в приповерхностном слое происходит перераспределение элементов покрытия и основы с образованием сложной структуры, существенно отличающейся от исходного состояния. Приведены методики и результаты численных расчетов температурных полей и полей напряжений, возникающих в результате воздействия НСЭП на системы Та-Fе и Мо-Fе. При помощи современных методов исследований определены закономерности формирования поверхностных слоев при воздействии НСЭП на металлические системы, имеющие различные теплофизические и термодинамические свойства. Показано формирование сложной структуры поверхностного слоя в системах Та/Fe и Мо/Fe в результате воздействия НСЭП при оптимальных режимах облучения. Доказано, что перемешивание элементов покрытия и подложки происходит в жидком состоянии, а также определены соответствующие коэффициен ты диффузии. Определена глубина модифицированного поверхностного слоя (10-15 мкм), имеющего по всей глубине повышенные значения микротвердости, повышенную коррозионную стойкость и повышенное сопротивление хрупкому разрушению. Определены оптимальные параметры воздействия НСЭП, при которых происходит перемешивание элементов покрытия и основы в жидкой и твердой фазе без значительной абляции материала покрытия.

Доказано, что разнообразие структур и послойный характер их формирования обусловлен неравномерным распределением элементов по глубине модифицированного слоя и различиями в скоростях охлаждения на поверхности и в более глубоких слоях расплава.

Основные результаты работы нашли применение при улучшении служебных характеристик конструкционных материалов и получении покрытий с наперед заданными свойствами.

Ключевые слова: низкоэнергетические сильноточные электронные пучки, массоперенос, диффузия, обратное рассеяние, микроскопия, приповерхностный слой, структура, моделирование, дислокация.

ABSTRACT

Bratushka S.N. Processes of mixing and mass transfer in systems Ta-Fe and Mo-Fe using a low-energy, high-current electron beam. - Manuscript.

The thesis (manuscript) for the obtaining of the scientific degree of the candidate of science in the physics and mathematics corresponding to the speciality 01.04.07 - a physics state solid. - Sumy State University, Sumy, 1999.

Thesis is devoted to questions of shaping near surface systems “fine film from refractory metal - a thick iron base” as a result of influences of concentrate flows of energy (CFE), as well as studying the received system characteristics. It has been proved that as a result of such influences in near surface a complex structure, greatly distinguish from the source condition is formed. The research gives new strategies and results of numerical calculations of warm-up floors of voltages with, appear as a results of using a low-energy, high-current electron beam in systems Ta-Fe and Mo-Fe, as well as results of studies of structure, physical and mechanical characteristics of received covering. Main results of work have been applied in perfecting the official features of construction materials.

Key words: Low-energy, high-current electron beam, mass transfer, diffusion, inverse dissipation, electronic, near surface, structure, modeling, dislocation.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У нинішній час у галузі фізики високих щільностей енергії розроблені нові засоби модифікації металевих матеріалів, що дозволяють формувати поверхневі шари з новими структурними властивостями. Для цього використовують концентровані потоки енергії (КПЕ). До них належать лазерні, електронні, іонні пучки, а також потоки плазми.

Надвисокі швидкості нагрівання та охолодження в поєднанні з високими тисками дозволяють отримувати метастабільні стани речовини, у тому числі й аморфні, властивості яких можуть суттєво відрізнятися від властивостей матеріалу у рівноважному стані, що дає змогу створювати шляхом поверхневого легування поверхневі шари з новими фізико-хімічними властивостями.

При розгляді дії КПЕ на речовину найсуттєвішими чинниками є тип частинок, що взаємодіють з речовиною, частка внесеної енергії, та час взаємодії потоку енергії з поверхнею твердого тіла. З цієї точки зору найбільш перспективними для практичного використання є джерела низькоенергетичних (до 50 кеВ) високострумнних електронних пучків (НВЕП) з помірною щільністю потужності (105-108 Вт/см2) та довжиною імпульсу 10-7 - 10-4 с, що мають цілий ряд переваг порівняно з іншими джерелами енергії.

За наявності на поверхні оброблюваного виробу тонких плівок з іншого матеріалу та короткочасної дії температур, окрім явищ загартовувального характеру, можуть спостерігатися явища легування підкладки (основи), перерозподілу елементів плівки і підкладки з утворенням стабільних та метастабільних сплавів і сполук. Надвисокі швидкості нагріву та охолодження в поєднанні з високим тиском дозволяють одержувати аморфні шари, властивості яких можуть істотно відрізнятися від властивостей матеріалу у рівноважному стані.

Актуальність теми. При взаємодії потужних іонних пучків (ПІП) та високострумних електронних пучків (ВЕП) з поверхнею визначальними чинниками, які впливають на структурні та фазові перетворення, що відбуваються в приповерхневих шарах, є: щільність внесеної енергії; тривалість імпульсу; нагрівання і плавлення; абляція; випаровування; термомеханічні напруги, які призводять до різноманітних структурно-фазових перетворень, термодифузії, масоперенесення у рідкій та твердій фазах, надшвидкого загартовування.

Однак, фізична сторона багатьох процесів, що відбуваються при взаємодії КПЕ з поверхнею твердого тіла, до кінця не розкрита. Це пов'язано, головним чином, з відсутністю систематичних експериментальних досліджень фазового складу та мікроструктури опромінених зразків та недостатньо повним теоретичним аналізом процесів, що відбуваються при взаємодії НВЕП з поверхнею твердого тіла.

Тому метою роботи було подальше вивчення взаємодії концентрованих потоків енергії з поверхнею твердого тіла, що являє собою систему “тонка тугоплавка плівка - залізна основа”, динаміки теплових полів, а також структурних та фазових процесів, обумовлених такою взаємодією.

У роботі детально досліджено процеси перемішування у системах Та/Fe та Мо/Fe під дією НВЕП та його вплив на модифіковані властивості названих систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у Сумському інституті модифікації поверхні, а також на кафедрі інформатизації банківської справи Української академії банківської справи (м. Суми). Вона є складовою частиною проекту ДКНТ України “Радуга” 75.4/73-93 та 06.05.04/007 K- 95.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження було подальше вивчення взаємодії концентрованих потоків енергії з поверхнею твердого тіла, процесів, що відбуваються при такій взаємодії, а також подальший розвиток нових методів отримання покриттів з наперед заданими властивостями з метою їх практичного використання. Відповідно до поставленої мети в роботі розв'язувалися наступні задачі:

nматематичне моделювання процесів масо- і теплопереносення в суцільному середовищі з наступним чисельним розв'язанням отриманого рівняння теплопровідності за допомогою ЕОМ (метод сіток);

nкомплексне дослідження за допомогою ядерно-фізичних і атомно-фізичних засобів аналізу елементного складу та структурно-фазових змін систем Та/Fe та Мо/Fe;

nполіпшення службових характеристик поверхневих шарів систем Ta/Fe і Mo/Fe за рахунок процесів перемішування у рідкій і твердій фазах під впливом НВЕП;

nвизначення конкретних режимів опромінення для названих систем.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше отримано результати чисельного моделювання теплових процесів у системах “тугоплавка плівка - залізна матриця” внаслідок дії НВЕП на прикладі систем Ta/Fe, Mo/Fe шляхом розв'язання рівняння теплопровідності;

- обчислені значення швидкості охолодження і товщини розплавленого шару залежно від потоку енергії НВЕП для системи Mo/Fe;

- за допомогою сучасних ядерно-фізичних та атомно-фізичних засобів аналізу вперше проведено систематичні дослідження та отримано експериментальні результати, які дозволяють виявити закономірність формування поверхневих шарів при перемішуванні з використанням НВЕП у системах, що мають різні теплофізичні та термодинамічні властивості (Ta/Fe, Mo/Fe).

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення роботи полягає в тому, що отримані конкретні практичні результати, а саме: при використанні систем на основі Ta/Fe та Mo/Fe внаслідок дії НВЕП за рахунок перерозподілу елементів у поверхневому шарі можуть бути отримані модифіковані поверхневі шари з підвищеною мікротвердістю, збільшеною корозійною стійкістю поверхневого шару у кислих середовищах, підвищеним опором крихкому зносу та стійкістю до пластичної деформації.

Доведено, що модифікований приповерхневий шар системи Та/Fe після опромінення НВЕП складається з тонкої оксидної плівки, аморфної фази Ta-Fe, інтерметалідів Fe2Та і FeTa та підшару, сформованого Fe2Та та твердим розчином заміщення Fe(Ta), а також наступних за ним зерен з a-Fe з підвищеною до 6.5 х 10-9 см-2 щільністю дислокацій, розташованих хаотично.

Виявлено утворення зміцненого шару товщиною 10-15 мкм, що має на поверхні підвищене значення мікротвердості, збільшену корозійну стійкість і підвищений опір крихкому руйнуванню.

Визначені оптимальні параметри опромінення НВЕП: (2.5-3.3) Дж/см2, при яких спостерігається перемішування в рідкій та твердій фазах, а коефіцієнти дифузії мають значення 3х10-10 м2/с і (1-5) х10-9 м2/с.

Отримані в роботі результати можуть бути використані для вибору режимів опромінення НВЕП при цілеспрямованій модифікації службових характеристик широкого кола конструкційних матеріалів на основі систем “тугоплавка плівка - залізна матриця”.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок дисертанта полягає в тому, що він провів моделювання та чисельний розрахунок на ПЕОМ температурних профілів у приповерхневому шарі товщиною до 15 мкм у системах Ta/Fe та Mo/Fe, які мають будову “тонка плівка - товста основа з заліза”, комплексні лабораторні дослідження, зокрема: обчислення коефіцієнтів дифузії, швидкостей руху межі розплав-тверде тіло [1, 3], дослідження корозійної стійкості, механічних властивостей (таких, як мікротвердість, стійкість до крихкого зламу, стійкість до механічного зношування) оброблених зразків [2, 3, 7]. У роботах [2, 4, 6,7] готував зразки, здійснював їх відповідну обробку; брав участь у дослідженні зразків та обговоренні результатів ядерно-фізичних та атомно-фізичних досліджень одержаних покрить [2, 4-9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень висвітлювались у доповідях та обговорювались на 3-й Всеросійській конференції “Модифікація властивостей конструкційних матеріалів пучками заряджених часток” (Томськ, Росія, 1994 рік), Першому міжнародному симпозіумі “Beam”s Technologies” (Дубна, 1995 рік), 6-й Міжнародній ELT'97 (Varna, Bulgaria, 1997 рік), V Міжнаціональній нараді “Радіаційна фізика твердого тіла” (Севастополь, 1995 рік), II Міжнародній конференції ВІТТ-97 (Мінськ, 1997 рік).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 6 статтях і тезах трьох доповідей загальним обсягом 1,5 друкованих аркуша. Список основних публікацій наведений в кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, змісту і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 128 сторінок машинописного тексту, в тому числі 33 рисунки, 1 таблиця. Список використаних джерел налічує 105 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір теми дисертаційної роботи, актуальність проблеми, що вирішується, а також сформульована мета роботи.

У першому розділі розглянуто основні закономірності формування пружно-пластичних хвиль у металевих матеріалах при впливі потужних пучків заряджених частинок.

Окреслено сучасний стан проблем модифікації за допомогою пучків часток, можливості різних методів, їх обмеження, а також загальні закономірності в утворенні модифікованих шарів та перспективи практичного використання.

Відомо, що в результаті впливу НВЕП у сталях і сплавах відбуваються структурні та фазові перетворення, які визначаються динамікою теплових полів і полів напруг, що виникають в приповерхневих шарах внаслідок поглинання енергії пучка, а також початковим станом матеріалу. Безпосередньо до поверхні прилягає зона теплового впливу (ЗТВ), що формується в основному під впливом високих температур. Змінюючи параметри НВЕП, можна широко варіювати тепловий режим ЗТВ. Іншим чинником, який впливає на мікроструктуру заліза, є хвиля напруг, яка формується в приповерхневому шарі товщиною приблизно 1 мкм (глибина проникнення електронів).

Найбільший інтерес для вивчення являє собою мікроструктура приповерхневого шару товщиною приблизно 1 мкм, в якому водночас діють високі температури та значні термопружні напруги.

У цьому розділі докладно розкрито питання про модель, що описує кінетичні процеси, які відбуваються в полі ударної хвилі (УХ) середньої інтенсивності, а також запропоновано алгоритм розрахунку УХ.

Алгоритм був реалізований при комп'ютерному моделюванні. Початковий розподіл тиску визначався режимами опромінення і відповідав розподілу поглинутої дози енергії. Область формування фронту УХ визначалася значеннями глибини, за яких градієнт тиску набуває максимального значення (тобто при x = z, за умови ). Встановлено, що величина і глибина її локалізації z залежать від інтенсивності опромінення (тривалості імпульсу) і повної поглинутої енергії за імпульс. Ці параметри визначають початковий ударно-хвильовий профіль тиску і його тривалість.

Оскільки потужність дози I0 пропорційна інтенсивності опромінення (тобто щільності струму j), для зміни мікротвердості за глибиною було отримано вираз

DHz=~ С j0,5Dz ~j0,5, (1)

де Н - мікротвердість;

J - щільність струму;

Dz- глибина;

C - константа, що залежить від властивостей та структури матеріалу.

Підвищення мікротвердості визначається властивостями і структурою матеріалу, ударно-хвильовим профілем та інтенсивністю опромінення (щільністю струму). Величина DHz пропорційна j0,5, що добре узгоджується з отриманою експериментальною залежністю Hz~j0,43.

У другому розділі обгрунтовано вибір матеріалу дослідження, розглянуто умови приготування зразків, експериментальні методики, режими опромінення, методи аналізу поверхні та властивостей поверхневого шару зразків.

Методика приготування зразків. Об'єктами досліджень були зразки заліза. Зразки були виготовлені з електролітичного a-заліза у формі циліндрів діаметром 12 мм, висотою 2 мм або у вигляді паралелепіпедів з площею основи 12х12 мм при тій же висоті.

Сумарний вміст домішок становив 10-3 ваг. % (вміст вуглецю не перевищував 10-4 ваг. %). Для досліджень використовувалися зразки з малим (20 мкм) , а також крупним зерном (приблизно 1-2 мм).

Нанесення плівок Та і Мо проводили в вакуумі електронно-променевим способом, розплавляючи мішень з тугоплавкого матеріалу. Початковий залишковий тиск у камері становив 10-3 Па. Товщина плівки складала 0,1 мкм.

Обробка зразків НВЕП здійснювалася в електронному джерелі “Надежда-2”, в якому використовується електронна пушка з плазменним анодом, що дозволило отримати більшу тривалість імпульсу порівняно з іншими установками. Особливістю джерела є те, що енергія електронів і струм пучка змінюються протягом імпульсу, тобто пучок не є монохроматичним. Висока щільність енергії та мала тривалість імпульсу пучка дозволяють проводити обробку в режимах плавлення і випаровування тонкого (~ 1 мкм) поверхневого шару.

Методи аналізу зразків

Дослідження елементного складу проводилося наступними методами:

Метод резерфордівського оберненого розсіювання (РОР), який був реалізований на установці ЭСТ-2,5 з використанням іонів Не+ з енергією 2 МеВ.

Метод Оже-електронної спектроскопії. Для елементного аналізу легких домішок був застосований метод оже-електронної спектроскопії (ОЕС) з роздільною здатністю по глибині 1 нм.

Метод електронної мікроскопії. Для аналізу поверхні був використаний растровий електронний мікроскоп “Comscan-4DU” з суміщеним мікрозондовим аналізатором. Проводився аналіз рентгенівських променів, що надходили з поверхні зразка.

Метод електронної просвічуючої мікроскопії. Фазовий аналіз поверхневих шарів проводився на просвічуючому електронному мікроскопі ЭМ-125 з робочою напру гою 125 кВ. Фольга для електронно-мікроскопічних досліджень готувалася з вихідних та опромінених зразків методом хімічного, електрохімічного та іонного стончення. Був проведений аналіз поверхні та приповерхневого шару, розташованого на глибинах 100, 300 і 500 нм від поверхні.

Для дослідження структурно-фазових перетворень при іонній імплантації був використаний метод мессбауерівської спектроскопії з реєстрацією конверсійних електронів.

Дослідження механічних характеристик. Дослідження мікротвердості поверхневого шару було проведено на мікротвердомірі “Micromet” c малими навантаженнями (0.1 - 5 г). У такому мікротвердомірі реалізовано автоматичне навантаження індентора (піраміда Віккерса) і використовується оптичний мікроскоп з високою роздільною здатністю (від х625 до х2000 разів). Розрахунок мікротвердості проводився за стандартними методиками.

Для дослідження коефіцієнта тертя і спрацювання використовувалася геометрія “кулька на диску” при переміщенні кульки відносно зразка. Частота руху кульки для виміру коефіцієнта тертя складала 2 Гц, а для виміру спрацювання - 7 Гц, навантаження на кульку в обох випадках було 2.2 Н. Всі досліди були проведені без мастила при кімнатній температурі на повітрі. Похибка вимірів складала 28%. Кулька була зроблена зі сталі 100Cr6. Ширина проходу кульки становила 2 мм, глибина проходу контролювалася профілометром. Значення винесеного матеріалу усереднювалося за трьома проходами (як для кульки, так і для диска). При стиранні диск зважувався мікрозважуванням через фіксовані проміжки часу.

Для аналізу шорсткості зразків з покриттям з Та до і після впливу НВЕП проводилося зняття профілограм на профілометрі 205 в режимі ВУх2000 і ТУ-100.

Методом подряпання (склерометрії) оцінювалися характеристики опору пластичним деформаціям та опір крихкому руйнуванню.

Було проведено дослідження корозійної стійкості у кислому середовищі зразків, отриманих після дії НВЕП.

У третьому розділі докладно описана методика розрахунку температурних полів у металевих матеріалах при впливі НВЕП та наведені результати чисельних розрахунків для систем Та/Fe та Мо/Fe. Для опису теплового джерела необхідно задати просторово-енергетичний розподіл пучка електронів у матеріалі. Його можна отримати, розв'язавши рівняння переносу Больцмана або шляхом моделювання великої кількості траєкторій електронів у речовині (методом Монте-Карло) і їх усереднення. Обидва ці підходи досить трудомісткі. Якщо задача припускає одновимірну постановку, то математичну модель процесів у поверхневому шарі можна побудувати простіше: спочатку за відомими емпіричними виразами обчислити глибину проникнення електронів заданої енергії в матеріалі, після цього, використовуючи емпіричну функцію втрат енергії електронів по глибині, знайти цей розподіл.

Існує велика кількість формул, що зв'язують пробіг електрона з його початковою енергією. Отримані за цими формулами значення пробігу відрізняються одне від одного. Оцінки цих значень показали, що ця неоднозначність у випадку використання НВЕП не має істотного впливу на результати розрахунків температурних полів. При цьому необхідно розглянути наступні процеси.

Теплове випромінювання. При збільшенні температури матеріалу збільшується не тільки щільність потужності, що виноситься емітованими електронами з його поверхні, але й щільність потужності, що виноситься фононами. Остання описується законом Стефана-Больцмана. Критерієм виключення з розгляду термоелектронної емісії і теплового випромінювання є порівняння щільностей потоків енергії, що відповідають цим процесам, з щільністю потоку енергії налітаючих електронів.

Розрахунки показують, що в будь-який момент часу щільності потоків, які припадають на теплове випромінювання та термоелектронну емісію, складають не більше декількох відсотків від щільності потужності, що відводиться з поверхні вглиб зразків за рахунок теплопровідності.

Плавлення. При достатній щільності потужності електронного пучка температура твердого тіла буде безупинно збільшуватися і в деякий момент часу досягне температури плавлення Тпл. Якщо продовжити нагрівання, тіло починає плавитися, тобто переходити з твердої фази в рідку. Слід відзначити, що узагальненої моделі рідини не існує, і тому перехід “кристал-рідина”, що реалізується за умов, близьких до рівноважних (невисокі градієнти температури, невелика швидкість підводу енергії, причому енергія підводиться тільки до поверхні твердого тіла), не має адекватного опису. Зокрема, не вирішене питання про структуру межі розділення твердої та рідкої фаз. Є побічні докази того, що ця межа не є різкою, а розмита. При високих щільностях потужності, характерних для обробки матеріалів КПЕ, ця межа ще більш розмита, оскільки значні потоки тепла, викликані температурними градієнтами (до 109 К/м), призведуть до того, що в той час, як речовина в зоні переходу ще не встигне розплавитися, розташований під нею шар вже досягне температури плавлення Тпл.

Звідси можна зробити висновок, що речовина переходить з твердого в рідкий стан не відразу, а через деякий перехідний стан, що в літературі отримав назву slush-стан. Slush-стан характеризують коефіцієнтом переходу g, під яким розуміють відношення кількості поглинутої енергії, що перевищує необхідну енергію для плавлення тіла при температурі Тпл, до теплоти плавлення:

(2) ,

де Q - питома теплова енергія твердого тіла;

Ср - питома теплоємність;

Т - температура;

qm - питома теплота плавлення.

При об'ємному введенні енергії різноманітні slush-зони можуть бути реалізовані значно частіше, ніж при поверхневому її підведенні. Це зумовлено різноманітними принципами формування slush-зон у різних випадках. У випадку поверхневого джерела енергії slush-зона утворюється за рахунок перенесення тепла від джерела енергії в тверду фазу та її підігрівання до Tпл. У випадку об'ємного джерела енергії з'являється можливість переміщувати область виділення енергії за об'ємом зразка, вкладаючи таким чином задану кількість теплоти у заздалегідь визначені локальні об'єми твердого тіла. Завдяки цьому створюються протяжні області з температурою Tпл в них. Змінюючи тип часток (іони, електрони, фонони і т. д.), їхню кількість і енергію можна варіювати цим профілем у широких межах.

Якщо максимум енерговиділення розташований не на поверхні, а в глибині зразка, то проблема моделювання процесів фазових переходів у матеріалі при введенні в нього енергії дуже ускладнюється. Це має місце, наприклад, при опроміненні зразка НВЕП. Якщо енергія вводиться достатньо швидко, то температурний максимум у глибині матеріалу не встигає вирівнятися, і температура Тпл спочатку досягається не на поверхні, а на деякій відстані від неї, і може початися так зване внутрішнє плавлення. Проте плавлення, незважаючи на те, що температура Тпл досягнута, може і не відбутися, а температура цієї локальної області буде продовжувати збільшуватися. Це пов'язано з тим, що Тпл - це температура, при якій починається плавлення з вільної поверхні.

Чисельна реалізація рівняння теплопровідності. Задача знаходження температурного поля в певному діапазоні щільностей потоку КПЕ зводиться до розв'язання рівняння теплопровідності:

(3)

де - об'ємна щільність потужності теплових джерел;

- радіус-вектор;

l - теплопровідність;

Т- температура;

t - час;

r, Ср - константи;

початкові умови: Т(r0;t0)=T0.

Для знаходження температури в деякій області зразків розв'язувалося одновимірне рівняння теплопровідності, оскільки розмір області однорідного енер говиділення пучка більше розміру області, нагрітої внаслідок теплопровідності за час спостереження процесу. Кінцеве рівняння має вигляд

, (4)

де l - const;

W(х1, t) - об'ємна щільність потужності теплового джерела;

х - координата.

Для розв'язання цього рівняння використовувалася чотирихточкова неявна різницева схема. Тоді воно зводиться до системи лінійних рівнянь з тридіагональною матрицею. Ця система розв'язується методом прогонки.

Рівняння найпростіше розв'язувати на рівномірній сітці. Проте область енерговиділення при опроміненні матеріалу НВЕП має малі розміри (порядку десятих часток мікрона). Це змушує використовувати інтегрування за змінною Х ще менших розмірів і призводить до сильного збільшення обчислювального часу. Зрозуміло також, що на глибині, яка перевищує розмір зони енерговиділення, така деталізація при розрахунках температури не потрібна. Тому рівняння необхідно розв'язувати на нерівномірній сітці, що значно ускладнює чисельну схему. Проте рівняння (4) можна подати за допомогою такої заміни змінних, щоб отримане рівняння в нових змінних розв'язувалося на рівномірній сітці, а відповідна їй сітка в старих координатах була б нерівномірною і згущувалася біля опромінюваної межі зразка та розріджувалася в міру просування вглиб його. Сітка з такими властивостями називається квазірівномірною. У даному випадку вона моделюється наступною заміною змінних:

x1= [b+(c-a) (exp (ax-1) (exp (a))-1]-1, t1= tpt , (5)

де b і с - координати відповідно лівого та правого країв області інтегрування;

а - параметр, що керує розрідженням сітки;

t - час;

tp - тривалість імпульса.

У роботі був використаний наступний підхід. Спочатку був знайдений розподіл температури в момент часу j+1 за відомою щільністю потужності L j. Цей розподіл грав допоміжну роль: за знайденою температурою поверхні обчислювалася відповідна їй щільність потужності Lj+1p. Потім, використовуючи значення щільності потужності

, (6)

де m приймає значення з інтервалу (0: 1),

і знаючи розподіл температур в j-й момент часу, була обрахована істинна температура поверхні в j+1 момент часу. Константа m добиралася таким чином, щоб не виникало неврівноваженості, яка виявляється у сильних осциляціях температури на поверхні. Для запобігання такій неврівноваженості був використаний метод ітерацій. У даній методиці для знаходження температури на наступному тимчасовому кроці достатньо зробити дві ітерації.

На другому етапі за відомою температурою у вузлах нової сітки знаходили (за допомогою лінійної інтерполяції) температуру у вузлах, що залишалися після “випаровування” вузлів старої сітки.

За номерами N і Nr та температурою Т в них можна знайти температуру у вузлі і:

, (7)

де Х - координата вузла;

h - параметр сітки.

У даній роботі рівняння теплопровідності розв'язується на одній області, яка містить тверду і рідку фази, а також slush-фазу. При проведенні розрахунків за модель теплового джерела бралося поверхневе джерело енергії.

Розрахунки були проведені для системи “тонка плівка Мо (150 нм) - товста підкладка”, а також системи Та/Fe. Із зростанням потоку енергії товщина розплавленого шару заліза збільшується від 0,5 мкм до 4,5 мкм, а час його існування - від 0,5 до 3,2 мкс відповідно (для системи Мо/Fe) при зміні потоку енергії від 3,2 до 5,2 Дж/см2. Значення товщини рідкої фази покриття і часу життя для цієї системи помітно менші, ніж у випадку Ta/Fe (за рахунок різниці температури плавлення майже на 330 К).

Четвертий розділ присвячений елементному аналізу систем Та/Fe і Мо/Fe після впливу НВЕП.

Система Мо/Fe. У початковому стані на зразок з a-Fe діаметром 12 мм і товщиною 2 мм була нанесена плівка з Мо товщиною 0.14 мкм. У процесі опромінення зразка НВЕП з потоком енергії W=2,3 Дж/см2 починається процес перемішування. Таким чином, порівнянно з початковим станом змінюється інтенсивність піка Мо, і спостерігається зміщення піка заліза праворуч (у бік більших номерів каналів при дослідженні методом РОР/К). Збільшення потоку енергії до 3.3 Дж/см2 сприяє більш глибокому перемішуванню плівки Мо з залізною основою.

Зменшення інтенсивності піка Мо, його розмиття, зміщення правого краю піка ліворуч (в сторону менших номерів каналів, що відповідає збільшенню відстані від поверхні зразка) і зміщення лінії заліза ближче до поверхні свідчать про те, що опромінення НВЕП призводить до перемішування компонентів при всіх значеннях потоку енергії, у тому числі і при енергії W=2,3 Дж/см2, що не узгоджується з результатами чисельних розрахунків (згідно з розрахунками при такому режимі опромінення невеликий шар заліза товщиною до 0,5 мкм плавиться, а плівка з молібдену або танталу на поверхні плавитися не повинна). Таку розбіжність можна пояснити тим, що при проведенні розрахунків не враховувалося існування проміжних ектевтик. Крім того, не враховувалася наявність у початкових зразках виявленої методом ОЕС бар'єрної окисної плівки, температуропровідність якої нижча, ніж у тан-тала. Обидва чинники можуть знизити поріг плавлення до значення енергії W=2,3 Дж/см2, при якому спостерігається добре перемішування, причому плавлення починається не з поверхні, а на межі розділу “плівка-підкладка”.

При високих значеннях потоку енергії на спектрах резерфордівського оберненого розсіювання з'являються горизонтальні ділянки, наявність яких свідчить про можливе утворення шарів товщиною до 100 нм з рівномірною концентрацією Мо. Вважаючи, що в шарі глибиною 0.1 мкм є рівномірний розподіл Мо, можна визначити фазовий склад цього шару: Fe80Mo20 (Fe4Mo) плівки. Концентрація молібдену помітно зменшується в глибину до 0.15 мкм. Підвищення потоку енергії при опроміненні НВЕП системи Мо/Fe призводить до випаровування (розбризкування) частини маси Мо за рахунок вибухового скипання поверхні і розбризкування Мо перегрітими парами матеріалу підкладки. Внаслідок цього форма спектра змінюється ще більше і, припустивши, що частина Мо, що залишилася, розподілена достатньо рівномірно по шару товщиною порядку 0,1мкм, можна припустити такий склад: Fe86Mo14. На поверхні і в глибині шару понад 0,1мкм його склад значно змінюється до Fe98Mo2.

Система Та/Fe. На рис. 3 наведені концентраційні профілі Та по глибині, розраховані за спектрами РОР з урахуванням даних ОЕС.

При малих значеннях щільності енергії концентраційні профілі мають характерну “дифузну” форму. Збільшення потоку енергії призводить до розмиття профілю Та при проведенні досліджень за допомогою методу РОР і зменшен ня концентрації Та на поверхні за рахунок абляції (при випаровуванні з розбризку-ванням), про що свідчить вивчення поверхні зразків після опромінення при різних режимах (з ростом енергії неоднорідність поверхні збільшується).

З використанням другого рівняння Фіка, були розраховані ефективні коефіцієнти дифузії Та в рідкій фазі. Оцінки показали, що значення цього коефіцієнта ле-жать у межах (3-8)х10-5 см2/с, що є характерним для дифузії в рідинній фазі.

Після опромінення неоднорідність посилюється. Більша частина поверхні має структуру, характерну для евтектики. На її фоні можна виділити три ділянки (Т1, Т2, Т3), що різняться за контрастом, причому, на частку ділянок Т1 і Т2 припадає приблизно 30% і 50% загальної площі відповідно.

Дослідження опроміненої поверхні за допомогою мікрозондового аналізатора показало, що темні ділянки (Т1) містять здебільшого Fe, у світлих ділянках (Т3) в основному присутній Та, а в проміжних (Т2) - суміш цих елементів в сумірних концентраціях. Отже, процес перемішування при загартовуванні з розплаву ефективно протікає тільки в ділянках Т2, тобто, на 50% опромінюваної поверхні. Неоднорідність перемішування пов'язана з нерівномірністю самого покриття і розлітанням деякої частини покриття при вибуховому кипінні підкладки (при енергії W=5,3 Дж/см2 температура підкладки досягає 4000 К).

Найбільший інтерес з точки зору різноманітності структур, що формуються при імпульсному плавленні, викликають ділянки Т2 зі змішаним Та- Fe складом.

Дослідження показали, що в таких ділянках безпосередньо на поверхні присутні частки нерозчиненого Та сферичної форми розміром близько 0,3 мкм і частки інтерметаліду Fe2Ta розміром 30 нм.

На глибині приблизно 0,3 мкм спостерігається зерно твердого розчину з підвищеною (5х109 см-2) щільністю дислокацій (у деяких зразків Fe щільність дислокацій змінюється від 108 до 5х109 см-2) і частки Fe2Ta розміром 50нм. Аморфна фаза на цій глибині відсутня. На глибині більш 0,5 мкм спостерігаються зерна a-Fe з підвищеною щільністю дислокацій.

Дослідження механічних характеристик

Аналіз поверхні зразків, що не полірувалися для проведення механічних дослідів (у них шорсткість в початковому стані була вища) показав, що після впливу НВЕП в режимі 2,3 Дж/см2 шорсткість зразків зменшилася від 0,39мкм до R= 0,17±0,02 мкм. Збільшення потоку енергії до 4,2 Дж/см2 порівняно з першим режимом (2,3 Дж/см2) сприяє підвищенню значення коефіцієнта шорсткості (до R=0,23±0,1мкм) у порівнянні з першим режимом (2.3 Дж/см2). Це значення є дещо меншим, ніж у початковому стані.

Було помічено значне зменшення спрацювання поверхневого шару протягом усього часу дослідження (3 години). Таке поліпшення стійкості до спрацювання пов'язане, в першу чергу, з утворенням на поверхні нанокристалічної структури та формуванням дислокаційної структури (з високою скалярною щільністю до 6.9 x109 см-2). Після впливу НВЕП присутність оксидів, карбідів та оксикарбідів, існування яких могло б зменшити спрацювання поверхні, на поверхні не було виявлено.

Метод подряпання (склерометрії). При вимірах використовувалися алмазні пірамідки з квадратною основою і кутом між гранями 1360, що дозволило реалізувати дві схеми дослідів: при подряпанні алмазною пірамідкою ребром вперед домінує пластична деформація (видавлювання) матеріалу. А при подряпанні гранню вперед подряпання набуває характеру різання, тобто домінує диспергування вна-слідок крихкого руйнування матеріалу.

Аналіз дослідження зміни властивостей поверхні методом подряпання за допомогою алмазної пірамідки дозволив встановити, що після впливу НВЕП покращуються характеристики поверхні зразків, а саме: перемішаний шар має більш високий опір крихкому руйнуванню. Також була визначена глибина модифікованого шару після впливу НВЕП з потоком енергії 3,3 Дж/см2 (h= 12-15 мкм), в той же час мікротвердість поверхневого шару збільшується з 90 до 270 кГ/мм2.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. На основі чисельного розв'язування рівняння теплопровідності проведено моделювання теплових процесів, що відбуваються у поверхневих шарах систем “тонка тугоплавка плівка - залізна основа” внаслідок дії НВЕП.

2. За допомогою сучасних ядерно-фізичних та атомно-фізичних методів аналізу виявлено закономірності формування поверхневих шарів при впливі НВЕП на металеві системи, що мають різні теплофізичні та термодинамічні властивості.

3. Внаслідок дії НВЕП за оптимальних режимів опромінення системи “тугоплавка плівка Мо - товста підкладка Fe” встановлено формування систем Fe80Mo20 (Fe4Mo), Fe96Mo04.

4. Виявлено формування модифікованого поверхневого шару товщиною 10 - 15 мкм, що має по всій глибині шару підвищене значення мікротвердості, підвищену корозійну стійкість і підвищений опір крихкому руйнуванню.

5. Визначено оптимальні параметри дії НВЕП (2.5 - 3.3) Дж/см2, за яких відбувається перемішування в рідкій і твердій фазах без значної абляції матеріалу плівки.

6. Доведено, що різноманітність структур та пошаровий характер їхнього формування (окисний шар, аморфна фаза Fe-Та і дисперсні частки інтерметаліду Fe2Та, зерна твердого розчину з високою щільністю дислокацій для системи Та/Fe) зумовлені нерівномірним розподілом елементів за глибиною і відмінністю у швидкостях охолодження на поверхні та в більш глибоких шарах розплаву.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Pogrebnyak A.D, Zecca A., Bratushka S.N., Sandrik R. еt al. Еvolution of vacancy defects and dislocations in surface layers of iron as a result of pulsed electron beam treatment //Physics Letters. -1998. - V.241(A). - Р. 357-363.

2. Pogrebnyak A.D, Bakharev O.G, Bratushka S. et all. Mixing of Ta-Fe and Mo-Fe systems using a low-energy high-current electron beam // Surf. and Coat. Techn. - 1998.-V. 99 (1998).- Р. 98-110.

3. Валяев А.Н., Погребняк А.Д., Братушка С.Н. и др. Влияние градиента давления ударной волны в a-железе, облученном мощным ионным пучком, на проявление максимума микротвердости// Письма в ЖТФ.- 1998. - Т.24, В.20. - С.76-79.

4. Братушка С.Н. Перемешивание системы Ta/Fe с помощью низкоэнергетического электронного пучка//ВАНТ. - 1998. - В. 2(3) - С.23-28.

5. Pogrebnyak A.D., Shablia V.T., Pogrebnyak N.A. et al. Certain features of high-dose and intensive implantation of aluminium ions in iron // Surf. and Coat. Techn. - 1998.- V.110. - Р.35-39.

6. Pogrebnyak A.D, Bratushka S., Boyko V.I. et al. A review of mixing processes in Ta/Fe and Mo/Fe systems treated by high current electron beams //Nucl. Instrum. and Meth. - 1998. - V. 145 (B). - Р.373-390.

7. Братушка С.Н., Погребняк А.Д. Процессы перемешивания и массопереноса в Та/Fe и Мо/ Fe под действием низкоэнергетического сильноточного электронного пучка //Тезисы II Международной конференции ВИТТ-97. - Минск. - 1997. - С.130.

8. А.Д.Погребняк, Ю.Ф.Иванов, В.П.Ротштейн, С.Н.Братушка. Исследование структуры и свойств модифицированного слоя на железе при воздействии НСЭП //Тезисы Международной конференции “Beams Technologies-95”. - Ч.3. - Дубна. - 1995. - С.25.

9. А.Д.Погребняк, С.Н.Братушка. Процессы дефектообразования в системах Та/ Fe и Мо/ Fe в результате облучения сильноточным электронным пучком //Тезисы докладов V Межнационального совещания “Радиационная физика твердого тела”. - Севастополь. - 1995. - С.87.

Размещено на Allbest.ru

...