Процессы диффузии и фазообразования в слоистых металлических системах
ВВЕДЕНИЕ
Развитие ядерной энергетики и аэрокосмической техники приводит к необходимости разработки, создания и использования новых конструкционных материалов, работающих в экстремальных условиях высоких температур, больших механических нагрузок, агрессивных сред и облучения [1-5]. Разработка таких материалов представляет сложную и до сих пор не решенную научно-техническую задачу. Одним из возможных путей решения этой задачи является создание защитных покрытий путем модификации поверхности существующих конструкционных материалов с помощью ионно-лучевых технологий. К таким технологиям относятся: ионно-плазменное осаждение и ионная имплантация с последующей термической обработкой, которая приводит к пространственной направленности процессов диффузии и фазообразования, и в результате к образованию слоистой системы [6-9].Для исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых металлических системах представляют интерес бинарные системы на основе железа, содержащие Ве и 57Fe, полученные методами ионно-плазменного осаждения и термовакуумного распыления [9, 10], а также имплантационные системы Fe:O+, Cu:O+, 12X18N10T:O+.Имплантация химически активных ионов в металлы приводит к существенным изменениям химического и фазового составов поверхностных слоев, а также к модификации многих физико-химических свойств металлов. Однако, при имплантации больших доз (1016–1018) см–2 ионов кислорода в переходные металлы в поверхностных слоях образуются окислы и процессы фазообразования. Практически отсутствует информация о составе окисных фаз, об их распределении по глубине имплантированных образцов в зависимости от дозы и энергий имплантации [11, 17].
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений и обозначений……………………………………….. 5
Введение…………………………………………………………………….. 6
1.Диаграммы состояния двойных металлических систем…………… 8
1.1. Бинарная система железо-кислород (α-Fe: О+)……………………….8
1.2. Бинарная система железо-бериллий (α-Fe-Be)……………………..… 12
1.3. Бинарная система медь-кислород (Сu: О+)……………………………17
1.4. Бинарная система сталь –кислород (12Х18Н10Т: О+)………………..19
2.Методы создания термически стабильных слоистых металлических систем……………………………………………………. 22
2.1. Кинетика процессов диффузии и фазообразования………………….. 22
2.2. Формирование термически стабильных слоев в различных металлах и сплавах…………………………………………………………………….. 25
2.3. Термодинамический подход к созданию «барьерных» слоев……….. 27
2.4. Создание барьерного слоя методом ионной имплантации…………... 28
3. Комплексный подход в получении и исследовании поверхностно- модифицированных материалов………………………………………... 29
3.1. Основы ионной имплантации и модификации поверхностных слоев. 29
3.2. Ускорители низких энергий, параметры облучения…………………. 30
3.3. Методы ионно-плазменного и термического распылений…………... 35
3.4. Метод Мессбауэровской спектроскопии……………………………... 40
3.5. Метод рентгеновской дифрактометрии………………………………. 49
3.6. Метод резерфордовского обратного рассеяния……………………… 52
4. Экспериментальное исследование термически-индуцированных процессов в слоистых металлических системах…………………...….. 57
4.1. Расчет параметров процесса ионной имплантации 57
4.2. Имплантация ионов кислорода в образцы меди (Сu:О+)…60
4.3. Имплантация ионов кислорода в образцы альфа-железо (α-Fe:О+)…64
4.4. Имплантации ионов кислорода в образцы нержавеющей стали (12Х18Н10Т:О+)…………………………………………………………….. 67
5. Экспериментальное исследование влияния ионов кислорода на кинетику фазовых превращений в слоистых металлических системах…………………………………………………………………….. 71
5.1. Подготовка образцов α-Fe−Be−57Fe и α-Fe: O+−Be−57Fe……………. 71
5.2. О
5.2. Обработка и анализ Мессбауэровских исследований (с учетом КЭМС)……………………………………………………………………….
5.3. Распределение кислородного слоя по глубине (по данным РОР)……
5.4. Анализ рентгеновских дифрактограмм………………………………..
6. Исследование кинетики процессов взаимной диффузии в твердом растворе -Fe(Be) при различных термических отжигах…….……
6.1. Определение зависимости дифракционного рефлекса для Fe(310) - условие Вульфа-Брэггов…………………………………………………
6.2. Расчет концентрации атомов Be в растворе -Fe(Be) на основе рентгеновских дифракторамм…………………………………………...…
6.3. Метод восстановления функции распределения концентрации атомов Be в растворе -Fe(Be) с использованием программы «Distry»….
6.4 Кинетика процессов фазообразования и взаимной диффузии атомов в -Fe(Be)……………………………………………………………………
Заключение…………………………………………………………………. 106
Список использованных источников…...…………………………………. 108
Список использованных источников
1 Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. -М.: Радио и связь. 1986. 232 с.
2 Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронной технологии. - М.: Высшая школа, 1988, 255 с.
3 Комаров Ф. Ф., Буренков А. Ф., Новиков А.П. Ионная имплантация. - Мн.: Изд-во Университетское. 1994. 415 с.
4 Белый A.B., Кукаренко В.А., Лободаева О.В, Таран И.И., Ших С.К. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. -Мн.: Наука и техника. 1997. 185 с.
5 https://www.dissercat.com/content/modelirovanie-termicheski-indutsirovannykh-protsessov-diffuzii-i-fazoobrazovaniya-v-sloistyk. Моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных металлических системах. Сухоруков И.А., Москва. с.147.
6 Кадыржанов К.К., Комаров Ф.Ф., Погребняк А.Д., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. - М.: Изд-во МГУ. 2005. 640 с.
7 Фетисов Г.П., Карпман В.М., Матюнин и др. Материаловедение и технология металлов. - М.: Высш. Шк.. 2005. 640 с.
8 Азаренков H.A., Береснев В.М., Погребняк А.Д. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных слоев материалов. Харьков: ХНУ, 2007. - 560 с.
9 Андриевский P.A., Рагуля A.B. Наноструктурные материалы. - М.: Академия, 2005, 192 с.
10 Кузъмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. - К.: Аверс. 2008. 244 с.
11 https://www.dissercat.com/content/issledovanie-barernogo-sloya-v-metallakh-i-ego-vliyanie-na-kinetiku-i-fazoobrazovanie-v-sloi. Исследование барьерного слоя в металлах и его влияние на кинетику и фазообразование в слоистой системе Fe-Be. Нуркенов С.А., Томск. 2017. С. 152
12 Lawrence, A. Ion Implantation for Semiconductor Doping and Materials Modification. Reviews of Accelerator Science and Technology /А.Lawrence, Justin M. Williams and Michael I. Current, -2012. -Рp.11-40.
Для расшифровки, т.е. уточнения значений набора физических параметров, которые однозначно описывают мессбауэровский спектр, используется программа Spectr. В случае, когда исследуемое вещество имеет регулярную кристаллическую и магнитную структуры, а образец однороден по составу мессбауэровских спектров программа Spectr позволяет широко варьировать модельные представления об условиях эксперимента и об объекте исследования. Основу метода обработки этой программы составляют метод наименьших квадратов и принцип суперпозиции парциальных спектров. Благодаря использованию различных форм резонансной и базовой линий, наложению “жестких” и “нежестких” условий на варьируемые параметры, реализации условий типа неравенств, заданию областей игнорирования достигается наилучшее описание мессбауэровского спектра. В некоторых случаях бывает трудно описать мессбауэровский спектр достаточно малым дискретным набором парциальных спектров. Это наблюдается при наличии заметного количества примесей, как замещения, так и внедрения, или же, когда локально неоднородные системы находятся в аморфном состоянии с точки зрения своих как кристаллической, так и магнитной структур. При обработке таких спектров возникает задача восстановления функций распределения параметров спектра. Программа DISTRI позволяет восстанавливать одновременно несколько независимых функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров с разными ядрами (таких, как эффективное магнитное поле на ядрах, мессбауэровский линейный сдвиг, квадрупольное смещение).Основу метода составляет метод регуляризации в его итеративном варианте, отличительными характеристиками которого являются: восстановление одновременно нескольких функций распределения параметров; оценка ошибок и факторов корреляции всех искомых параметров и дискретных значений функций распределения; возможность осуществлять выборочную регуляризацию вдоль дискретных представлений функций распределения; возможность ограничивать (фиксировать) любые варьируемые параметры и дискретные значения функций распределения; возможность использовать имеющуюся априорную информацию о функциях распределения.