Магистерская диссертация: «Структурно-фазовое состояние титана, легированного под воздействием электронных пучков» Магистрант Шиманский Виталий Игоревич Научный руководитель – профессор Углов Владимир Васильевич

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 Параметр решетки β-фазы Микронапряжения в α-фазе 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 Дж/см 2 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 Па, длительность импульсов 50 мкс, частота импульсов 0,3 Гц, количество импульсов – 3, плотность поглощенной энергии изменялась от 15 до 35 Дж/см 2.

Схема эксперимента Покрытие (Mo) (1) осаждение покрытия Металлическая мишень (Ti) формирование поверхностного сплава (2) перемешивание электронным пучком электронный пучок

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: 10 6 – 10 7 К/с Градиент температуры: 10 8 К/м Условие плавления E>9 Дж/см 2

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

Морфология поверхности Растровая электронная микроскопия 15 Дж/см 2 25 Дж/см 2 Обработка с поглощенной энергией 15 Дж/см 2 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 (10 6 – 10 7 К/с) и температурного градиента (10 8 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/см 2 имеется нерасплавленный молибден при энергии выше 20 Дж/см 2 формируется высокотемпературная β-фаза титана, стабилизированная атомами молибдена (критическая концентрация 5,8 ат.%) максимальное содержание β-фазы наблюдается при энергии 25 Дж/см 2

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 (n 2 – 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/см 2, 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/см 2 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/см 2 формируется высокотемпературная β-фаза титана, стабилизированная атомами молибдена, причем максимальное ее количество образуется при плотности энергии 25 Дж/см 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.

Спасибо за внимание