Магистерская диссертация:«Структурно-фазовое состояние титана, легированного под воздействием электронных пучков»

Содержание
Актуальность
Цели и задачи
Объект исследования
Схема эксперимента
Научная гипотеза
Теоретический расчет температурных полей
Элементный состав
Морфология поверхности
Ячеистая и дендритная структура
Фазовый состав
Параметр решетки β-фазы
Микронапряжения в α-фазе
Механические свойства (твердость)
Научная новизна
Положения, выносимые на защиту

Актуальность
Упрочнение титана и титановых сплавов является актуальным направлением современного материаловедения. Наиболее перспективный метод модификации поверхностных слоев металлов состоит в использовании концентрированных потоков энергии, в частности сильноточных электронных пучков, позволяющих воздействовать на поверхность материала без изменения его химического состава.
Связь с научными программами:
ГПОФИ Республики Беларусь «Высокоэнергетические, ядерные и радиационные технологии» (2006 – 2010 гг.)
ГКПНИ Республики Беларусь «Кристаллические и молекулярные структуры» (2006 – 2010 гг.)

Цели и задачи
Цель работы: Установить взаимосвязь структурно-фазового состояния и механических свойств поверхностных слоев титана, легированного атомами молибдена под воздействием сильноточных электронных пучков.
Задачи исследования:
Сформировать поверхностные слои в результате предварительного нанесения покрытия молибдена и последующего воздействия электронных пучков с поглощенной энергией 15 -35 Дж/см2
Применить методы растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, рентгеновской дифракции для установления структурно-фазового состояния модифицированных слоев
Исследовать механические свойства титана и установить взаимосвязь со структурно-фазовым состоянием

Объект исследования
Объект исследования: сплав титана высокой чистоты ВТ1-0
(состав в ат.: 0.18 – Fe; 0.12 – О; 0.07 – N; 0.04 – C)
1 этап: Нанесение покрытия молибдена вакуумно-дуговым методом (установка ВУ2-МБС). Параметры эксперимента: ток дуги 180 А, опорное напряжение -120 В, время осаждения 7 минут. Толщина покрытия 1 мкм.
2 этап: Воздействие на сформированные системы сильноточными электронными пучками (установка SOLO-M). Параметры эксперимента: вакуум 10-2 Па, длительность импульсов 50 мкс, частота импульсов 0,3 Гц, количество импульсов – 3, плотность поглощенной энергии изменялась от 15 до 35 Дж/см2.

Схема эксперимента

Научная гипотеза
Воздействие сильноточных электронных пучков на системы «покрытие/подложка» позволит сформировать глубокие (свыше 10 мкм) легированные слои, характеризующиеся повышенными механическими параметрами, за счет происходящих структурно-фазовых превращений, обусловленных неравновесностью протекающих процессов.

Теоретический расчет температурных полей
Решение классического уравнения
теплопроводности:
Граничные и начальные условия:
Преобразование температурного поля
для учета фазовых переходов
первого рода:
Скорость охлаждения:
106 – 107 К/с
Градиент температуры:
108 К/м
Условие плавления
E>9 Дж/см2

Элементный состав
Распределение характеристического рентгеновского излучения по глубине
Е=15 Дж/см2 (10,2 ат.%Мо)
Е=20 Дж/см2 (7,8 ат.%Мо)
Е=30 Дж/см2 (3,4 ат.%Мо)
Повышение плотности поглощенной энергии от 15 до 30 Дж/см2 приводит
к увеличению глубины расплавленного слоя, обуславливающее снижение
концентрации атомов молибдена.

Морфология поверхности
Растровая электронная микроскопия
15 Дж/см2
25 Дж/см2
Обработка с поглощенной энергией
15 Дж/см2 приводит к неравномерному
распределению атомов молибдена
по поверхности. Имеются участки,
в которых происходит отслоение
покрытия. При поглощенной энергии
25 Дж/см2 имеет место равномерно
распределение молибдена

Ячеистая и дендритная структура
Высокие скорости охлаждения (106 – 107 К/с) и температурного градиента
(108 К/с) формируется неустойчивость на границе раздела
«расплав/металл», что приводит к формированию гексагональных ячеек
(средний размер 300 нм) и дендритных образований 2 – 3 мкм.

Фазовый состав
Рентгеноструктурный анализ
при энергии 15 – 20 Дж/см2
имеется нерасплавленный молибден
при энергии выше 20 Дж/см2
формируется высокотемпературная
β-фаза титана, стабилизированная
атомами молибдена (критическая
концентрация 5,8 ат.%)
максимальное содержание β-фазы
наблюдается при энергии 25 Дж/см2

Параметр решетки β-фазы
Определение параметра решетки
для кубической решетки β-фазы:
Параметр решетки меньше равновесного,
что обусловлено внедрением атомов
молибдена, атомный радиус которых
(0,142 нм) меньше, чем у атомов титана
(0,146 нм), в результате чего происходит
сжатие решетки.

Микронапряжения в α-фазе
Метод аппроксимации
дифракционных линий
(100) и (103)
Уширение линии вызвано только
микронапряжениями
Уширение линии вызвано только
дисперсностью структуры
Наличие обоих факторов
уширения
Определение микронапряжений
по высокоугловой линии
(n2 – весовой множитель)
Наличие внутренних микронапряжений
0,3 – 0,5 ГПа обусловлено сопряжением
кристаллических решеток α- и β-фазы титана

Механические свойства (твердость)
Методика Виккерса измерения
микротвердости (твердомер ПМТ-3),
диапазон нагрузок (Р) 50 – 200 г.
Твердость в ГПА определяется
через диагональ отпечатка (d):
Максимальное значение твердости достигается в случае обработки 25 Дж/см2,
при которой формируется максимальное количество высокотемпературной фазы
титана. Следовательно, упрочнение поверхностного слоя осуществляется в
основном за счет твердорастворного механизма.

Научная новизна работы
Научная новизна полученных результатов заключается в создании глубоких модифицированных слоев, характеризующихся увеличенной в 1,5 – 2 раза твердостью, которая обусловлена стабилизацией высокотемпературной фазы титана атомами молибдена, концентрация которого составляет 7,8 ат.%

Положения, выносимые на защиту
1. Воздействие сильноточных электронных пучков с плотностью энергии 15 – 35 Дж/см2 на титан с предварительно нанесенным покрытием молибдена приводит к плавлению поверхностного слоя с последующим его конвективным перемешиванием.
2. Глубина легированного слоя увеличивается от 10 до 30 мкм при повышении плотности энергии, в результате чего концентрация молибдена снижается от 10,2 до 3,4 ат.% и характеризуется равномерным распределением по всей глубине расплавленного слоя.

Положения, выносимые на защиту
3. При плотности энергии выше 20 Дж/см2 формируется высокотемпературная β-фаза титана, стабилизированная атомами молибдена, причем максимальное ее количество образуется при плотности энергии 25 Дж/см2.
4. Воздействие сильноточных электронных пучков на системы «молибден/титан» способствует упрочнению модифицированного слоя, что проявляется в увеличении твердости в 1,5 – 2 раза за счет формирования высокотемпературной β-фазы титана.