Автореферат Куанышбековой

           УДК 538.91-405; 548.5.01                                               На правах рукописи

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУАНЫШБЕКОВА ЖАРКЫНАЙ НУКЕРБАНОВНА

 

 

 

 

 

 

Исследование закономерностей фазовых превращений в мультислойных тонкопленочных структурах на основе металлов

 

 

 

 

 

 

 

 

05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

                                                   

 

                     

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2007

 

 

   Работа выполнена в ДГП «Физико-технический институт» МОН РК.

 

 

 

    Научные руководители: 

   

    доктор технических наук, профессор                                           Смагулов Д.У.

 

    кандидат физико-математических наук                                       Волкова Т.В.

 

   

   Официальные оппоненты:              

   Заслуженный деятель Республики Казахстан,

   доктор технических наук, профессор                                        Дуйсемалиев У.К.

 

   кандидат технических наук                                                         Аубакирова Р.К.

 

                                                                                                                                                                                        

   Ведущее предприятие:                  

   АО «Центр наук о земле, металлургии и обогащения» МОН РК

 

 

   Защита состоится «21» декабря 2007 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного совета  Д 14.50.07 при РГП  «Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева» Министерства образования и науки Республики Казахстан

по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, в конференц-зале НК,

факс: 7 (327) 292-60-25, е-mail: allnt@kazntu.sci.kz

 

 

  С дисертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К. И. Сатпаева

 

 

 

     Автореферат разослан «20» ноября 2007г.

  

 

 

 

  Ученый секретарь

  Диссертационного совета,

  кандидат технических наук                                                            Гусейнова Г. Д.

                                                           

ВВЕДЕНИЕ

 

Общая характеристика работы. Основной тенденцией в развитии современной техники является использование наноразмерных функциональных материалов. Уникальность свойств таких материалов, во многом, определяется физическими процессами, имеющими квантовый характер и протекающими на атомном и электронном уровнях  как в объеме, так и на их поверхностях. В таких высокодисперсных системах, как адсорбенты, катализаторы, наполнители композиционных материалов, мембраны и различные функциональные пленочные системы, значительную роль играют поверхностные наноструктурные образования с особыми свойствами, где  плотность вещества соизмеримо с его  плотностью в объеме. Если все размеры системы уменьшаются, то число атомов в приповерхностном слое становится соизмеримо с количеством атомов в остальном объеме, и известные характерные физико-химические и механические свойства материалов существенно изменяются. Вклад поверхностных структур в значения свойств материалов существенно возрастает. Это относится также к процессам фазовых и структурных превращений вблизи границ раздела в тонкопленочных структурах. Структурные превращения проявляются в виде изменения межатомных расстояний, перестройки кристаллической структуры, появления новых фаз,  вплоть до перехода в аморфное состояние. Эти изменения обычно называют размерными эффектами. Они могут иметь различную природу.

Особый интерес вызывают процессы структурных перестроек вблизи поверхностей раздела в системах, где одной из составляющих выступает многокомпонентный сплав. Понять и научиться управлять этими процессами не всегда удается в рамках традиционных представлений физики и химии, развитых для достаточно протяженных объектов. Несмотря на интенсивное развитие исследований в области нано и микроструктур, в настоящее время крайне мало данных об особенностях структурных и фазовых превращений в тонкодисперсных материалах.   Проблема осложняется еще и тем, что наноструктуры из-за очень малых размеров являются достаточно неравновесными системами, однако протекающие в них процессы часто анализируют на основе традиционных подходов, свойственных равновесным объектам.

Актуальность темы. Установление закономерностей изменения физико-механических свойств наноматериалов в зависимости от размерных эффектов при модификации их структуры и электронного строения является одной из наиболее важных проблем современного физического материаловедения. На формирование свойств наноматериалов, кроме размерных эффектов, оказывает влияние также большая удельная поверхность раздела частиц в наноразмерных материалах. Кроме того, при термических воздействиях в наноструктурных материалах неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, в результате которых имеют место распад, аморфизация, кристаллизация и другие фазовые превращения, изменяются физико-химические и механические свойства, а следовательно, и эксплуатационные ресурсы изделий из наноматериалов. Это, как и исследование природы размерных эффектов, является одной из важнейших и сравнительно мало изученных проблем наноструктурных систем.

В связи с этим исследование структурных превращений в тонкопленочных структурах и разработка новых методов их получения  является чрезвычайно актуальной проблемой современного материаловедения.

Цель работы. Исследование закономерностей фазовых и структурных изменений  в многослойных тонкопленочных структурах типа Al-латунь, Ti-латунь и Al-Ti-Al-латунь на подложке латуни и их влияние на механические свойства поверхности.

          Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

-         выбор материалов и получение тонкопленочных систем с хорошей адгезией пленок с подложкой и между слоями;

-         выбор  режимов термической обработки для получения в приповерхностном слое интерметаллидных соединений;

-         адаптация методов рентгеноструктурных исследований для изучения процессов структурных перестроек в тонких приповерхностных слоях;

-         исследование  процессов диффузии и фазообразования в приповерхностных слоях.

Научная новизна работы. В настоящей работе экспериментально исследованы процессы диффузии и фазообразования в тонкопленочных структурах типа Al-латунь, Ti-латунь и Al-Ti-Al-латунь, происходящие на границе раздела подложка/пленка и пленка/пленка. При этом:

 - исследования термически индуцированных диффузионных процессов на границе раздела «пленка Al/подложка латуни» показали, что вблизи поверхности раздела процессы фазовых превращений отличаются от процессов, происходящих в монолитных образцах при тех же температурах. Диффузия Al вглубь разогретой до температуры 200°С подложки с формированием фазы твердого раствора Al в Cu(Zn) имеет место уже в процессе осаждения пленки.

- после термообработки при температуре 395°С в течение 1 часа интерфейсный слой Al-латунь, сформировавшийся в результате термически индуцированных диффузионных процессов, имеет толщину ~ 400 нм на глубине 1.1± 0.2 мкм. Не обнаружено появления каких-либо Al-Cu интерметаллидных фаз за интерфейсной областью в глубине латуни;

- длительный отжиг при температуре 415°С приводит к диффузии атомов алюминия вглубь образца с практически полным растворением пленки и формированием монотонно спадающего профиля распределения атомов Al в a - латуни. По величине концентрации и форме профиль оказался близок к расчетному.

- в процессе отжига при температуре 500°С пленок Al или Ti на подложке из латуни (a-твердый раствор Cu(Zn)) имеет место растворение пленки в материале подложки с формированием фазы интерметаллида, обладающей повышенной микротвердостью. Установлено, что процесс растворения пленки, происходящий преимущественно по границам зерен подложки, приводит к увеличению средней микротвердости образца на 23% в случае Al и 75% в случае Ti.

- установлено, что при термической обработке в приповерхностных слоях образуются новые интерметаллические соединения, которые приводят к упрочнению поверхностного слоя; изучено атомно-кристаллическое строение и элементный состав фаз; обнаружено, что в процессе фазообразования при температуре 470°С в многослойной структуре алюминий-титан-алюминий-латунь на подложке латуни идет формирование интерметаллидов Ti(Cu,Al) и Cu2Al3. Установлено, что появлению интерметаллидов предшествует образование двух промежуточных фаз – растворов, обогащенных атомами алюминия и титана. Расположение этих фаз по глубине образца соответствует механизму последовательного растворения пленок в латуни: раствор Al в Cu(Zn) у поверхности, раствор Ti в Cu(Zn), раствор Al в Cu(Zn) и подложка Cu(Zn). Термообработка при температурах 500 и 600°С вызывает значительный рост содержания интерметаллидов, сопровождающийся улучшением структуры приповерхностного слоя. Микротвердость поверхности превышает микротвердость латуни на ~95%

- разработан математический метод обработки данных рентгеновской дифракции с использованием скользящих рентгеновских пучков для послойного исследования сложных гетерогенных систем. Получена формула для определения толщины тонкой пленки алюминия из интегральных интенсивностей пучков, отраженных поверхностной пленкой алюминия и подложкой, которая хорошо согласуется с экспериментальными данными.

         Положения, выносимые на защиту:

- метод исследования распределения концентрации элементов и фазового состава в приповерхностных слоях и вблизи границ раздела в тонкопленочных структурах с использованием съемки в скользящих рентгеновских пучках под разными углами;

- результаты исследования процессов фазообразования  в тонких пленках Al на поверхности α – латуни и вблизи границ раздела в мультислойных покрытиях при термической обработке, показывающие в образования уже на начальной стадии напыления промежуточных фаз и сдвига температур фазовых превращений по температуре по сравнению с классической фазовой диаграммой;

- результаты исследования влияния химического состава и исходного состояния поверхности α–латуни, а также толщины покрытий на структурно-фазовые превращения в тонких алюминиевых пленках на ее поверхности при термической обработке.

     Апробация практических результатов. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных конференциях и семинарах: «Физика конденсированного состояния» (Усть – Каменогорск, 2004г.); на 9th International Research/Expert Conference onTrends in the development of Machinery and associated TechnologyTMT – 2005 (Antalya, Turkey, 2005); 2nd International conference on intelligent knowledge systems IKS-2005(Istanbul, Turkey, 2005); на 5-ой международной конференции «Ядерная и радиационная физика» (Алматы, 2005); на “Material Research Society Fall Meeting” 2005 MRS FALL MEETING (Boston, MA, USA, 2005); «Наноматериалы и нанотехнологии» КоМУ – 2005 (Ижевск, Россия, 2005), на ХII Сессии Научного совета по новым материалам Международной ассоциации академии наук (Киев, Украина, 2007)

Практическая ценность работы: Результаты исследований фазовых превращений и механических характеристик многослойных систем Al-латунь, Ti-латунь и Al-Ti-Al-латунь могут быть использованы для улучшения эксплуатационных свойств металлических материалов с упрочняющими покрытиями.  

В работе определены  оптимальные толщины пленок Al, Ti на поверхности изделий из латуни и их  режимы термической обработки, которые могут служить научной основой для создания упрочняющих покрытий на основе интерметаллидов, обладающих, наряду с пластичностью и прочностью, при высоких температурах превосходными антикоррозионными и антифрикционными свойствами.

Математический метод обработки данных по дифракции скользящих рентгеновских пучков для послойного исследования сложных гетерогенных систем может быть использован в исследовательских лабораториях для определения фазового и элементного состава, толщины поверхностного слоя и средних размеров кристаллитов, а также величины микронопряжений. Использование этого метода значительно сокращает время обработки данных, повышает точность исследований и при этом не требует предварительной обработки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, обоснован выбор объектов исследования и сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Приведены основные результаты, составляющие ее новизну и практическую значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

 В первой главе приведен краткий анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию структурных и физических свойств металлических систем, результаты исследований по кинетике взаимодействия металлов. Дается литературный обзор рентгеновских исследований систем на металлической основе. В конце раздела на основании приведенного обзора сформулированы задачи исследования.

Во второй главе обосновывается выбор объектов исследований для решения поставленной задачи.  В качестве объекта исследования выбраны двухслойные и мультислойные системы пленок на основе металлов, подложкой во всех случаях служила α-латунь, на поверхность которой были напылены тонкие слои Al (~ 1 мкм),Ti (~0.5 мкм) и Al (~ 1 мкм). Описаны технология приготовления образцов, методы напыления, условия проведения изохронных отжигов, используемые экспериментальные методы анализа: рентгеноструктурный анализ скользящим пучком (РСАСП), метод резерфордовского обратного рассеяния протонов (РОР), металлография (микроскоп Axiovert) и измерение микротвердости (ПМТ 3).    

Результаты вычислений толщины алюминиевого покрытия для различных углов скольжения и направлений поверхности образца были получены для различных азимутальных положений образца относительно пучка, для избежания ошибок за счет текстурированности образцов. Наличие текстуры сказывается на  результатах получаемых для различных углов  f и приводит к большой статистической погрешности среднего результата. Причина этого в том, что преимущественная ориентация плоскостей (111) алюминиевой пленки в определенных направлениях приводит к неодинаковым потерям интенсивности пучка для различных ориентаций образца. Для сравнения на рисунке 1 приведено распределение атомов алюминия по глубине образца, полученное РОР методом. По этому распределению и по тройной диаграмме состояний Cu-Zn-Al, можно грубо, так как  термодиффузия - неравновесный процесс, оценить глубину, на которой алюминий присутствует в качестве фазы t » 1.1± 0.1мкм.

 Рисунок 1 - Распределение атомов алюминия по глубине образца, полученное РОР методом

 

 

 

 

В третьей главе описываются  термически активированные процессы диффузии и фазообразования на поверхности раздела подложка/пленка (пленка/пленка), физико-механические свойства покрытий и их связь со структурой поверхности.

Материалом подложки являлась a-латунь, со структурой Fm3m (CaF2), состав которой согласно данным рентгено-флуоресцентного анализа  (РФА) составил: Cu – 66.28, Zn – 32.72, Pb – 0.92, Fe-0.08 вес.%.(Рис2.)

            

Рисунок 2 - Состояние подложки a-латуни до напыления: рентгенограмма и микроструктура подложки после гомогенизирующего отжига, используемые обозначения: О -  a-Cu(Zn),¯- Pb

На отполированную и подвергнутую 4 часовому гомогенизирующему  отжигу при температуре 550 °С подложку a-латуни, методом термо-вакуумного осаждения наносилось алюминиевое покрытие толщиной порядка ~1 мкм. Для лучшей адгезии в процессе осаждения подложка подогревалась при температуре 200°С.(Рис. 3)

 

Рисунок 3 - Дифрактограмма a-латуни покрытой Al, полученная в геометрии Брэгга-Брентано, со стороны пленки

 

 

 

Структуру и свойства образцов исследовали непосредственно после напыления методом съемки в скользящих пучках. Съемка под углом


скольжения 3˚ соответствует глубине слоя равного толщине пленки, при  q = 4° получаем информацию о структуре материала лежащего ниже поверхности раздела пленка/подложка. При углах  q меньше получаем информацию о структуре материала лежащего выше поверхности раздела пленка/ подложка. Как видно на рисунке 4 взаимная диффузия атомов пленки и подложки идет в обоих направлениях, следы алюминия отмечаются в матрице латуни так же как следы латуни в алюминиевой пленке вблизи поверхности раздела уже при комнатной температуре.

 

Рисунок 4 - Диффрактограммы рефлексов Al(111) и a-латуни(111), снятые со стороны алюминиевой пленки для углов скольжения q=0.5, 1, 2, 3, 4°  и азимутального угла j=0°

 

 

 

 

На рентгенограмме образца, напыленного алюминием, наряду с отражениями подложки (a-твердый раствор Cu(Zn)) присутствуют линии алюминия. После 3 часового отжига при температуре  470 °С, линии соответствующие чистому алюминию исчезают и появляются отражения интерметаллида Cu9Al4 (рис. 5,A), имеющего кубическую структуру типа  P-43m, с параметром решетки, а = 8,704. Результаты металлографии напыленных и отожженных образцов показывают, что при отжиге идет процесс растворения пленки, причем, особенно активно растворение идет по границам зерен подложки (рис. 5,B)

 

 

 

Рисунок 5 - Рентгенограмма (A), микро-структура (B) и гистограмма микротвердости (С) латуни, напыленной алюминием и отожженной при температуре 500°С 

 

Как видно из гистограммы микротвердости (рис. 5,C) наряду с ранее присутствующими в латуни фазами (свинец и a - латунь), появилась новая фаза, обладающая повышенной микротвердостью. При этом средняя микротвердость образца возросла на  23  % .

Из рентгенограммы образца, напыленного титаном, после отжига при 500°С (рис. 6,A), видно, что наряду с отражениями подложки (a- латунь), произошло существенное увеличение интенсивности линий в интервале углов 30-400, что объясняется наложением линий новой фазы и отражений свинца.

Анализ микроструктуры пленки титана на поверхности латуни после отжига при 500°С, показывает, что происходит самоорганизация пленки титана в результате которой образуется мелкозернистая структура морфологически не связанная со структурой подложки (рис. 6,В). Для активного процесса растворения титана и образования новых фаз температуры отжига 500°С явно недостаточно. Однако, как хорошо видно из гистограммы микротвердости (рис. 6,С), в титановой пленке идет сложный процесс фазово-структурной перестройки: наряду с a - латунью и чистым титаном появилось небольшое количество новой фазы, обладающей повышенной микротвердостью по сравнению с подложкой.  При этом средняя микротвердость образца возросла на  75 %.

Для формирования слоев на поверхности a - латуни с различным составом интерметаллических фаз были использованы мультислойные покрытия с чередованием пленок различной толщины и химического состава. Первым слоем наносился алюминий.    Вторым слоем, магнетронным методом был нанесен Ti толщиной 0,5 мкм и третий слой вновь алюминий. Последовательность слоев определялась целью получить наилучшую адгезию пленок с поверхностью подложки и между собою.

        

   

   Рисунок 6 - Рентгенограмма(A)                   микроструктура(B) и гистограмма                   микротвердости (С) латуни,  напыленной                            титаном и  отожженной при температуре 500     

                       °С

После напыления был проведен изохронный отжиг в вакууме не хуже 10-5 при температуре 470ºС. После отжига исследовались структура и микротвердость поверхностного слоя образцов.

Как известно, отражающий слой материала при рентгеновских исследованиях находится на некоторой глубине, зависящей от коэффициента поглощения рентгеновских лучей материалом поэтому, направляя пучок под разными скользящими углами к поверхности образца можно получать данные о структуре и составе материала на разной глубине. Для структурных исследований использовался программно-управляемый  диффрактометр  Дрон-6 в CuKa1  (съемка в скользящих пучках, углы  падения g=1, 2, 3 4, 5, 7 °).

  На рисунке 7 представлены дифрактограммы системы Al-Ti-Al-латунь до и после отжига.

Рисунок 7 - Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образца системы Al-Ti-Al-латунь до(вверху) и после(внизу) 3-часового отжига при температуре 470 °С

    

Дифрактограммы системы  Al-Ti-Al  на подложке латуни до и после отжига, снятые в режиме Θ - 2Θ приведены на рисунке7. Как видно на рисунке, после напыления система представлена отдельными неискаженными рефлексами латуни и алюминия. Отсутствие рефлексов  титана можно объяснить малой толщиной напыленного слоя. После отжига, как видно на нижней кривой  рисунка 7, начинается формирование интерметаллидов. Анализ кривых показал, что  в приповерхностном слое после отжига при 470°С образуются соединения  Ti(Cu,Al)2 [8] и   Cu2Al3.

На рисунке 8(а) приведены фрагменты дифрактограммы системы Al-Ti-Al  на подложке латуни после отжига, снятые в режиме Θ – Θ в скользящих пучках.  На рисунке по интенсивности соответствующих отражений, видно, что фазы Cu2Al3  (угол отражения 43º) и Ti(Cu,Al)2 (угол  отражения 39,2º) формируются  на разной глубине. При этом, разложение кривых, как показано на рисунке 8 (б), свидетельствует о расслоении твердого раствора цинка в меди на три близких структуры с разным параметром решетки. Одна из решеток представляет собой раствор цинка в меди, вторая с меньшим параметром (кривая справа) представляет собой раствор алюминия в меди, и кривая слева соответствует раствору, в котором часть узлов занимают атомы титана. Кроме того, на рисунке видно, что количество этих фаз зависит от глубины поверхностного слоя: вблизи поверхности раздела превалирует фаза, обогащенная алюминием, в то время как,  фаза, обогащенная титаном, находится гораздо ближе к поверхности покрытия.

Судя по увеличению расстояния между пиками, разница в параметрах решетки твердых растворов меди увеличивается с уменьшением глубины поверхности.  При минимальном угле скольжения рентгеновского пучка выявляется структура самых поверхностных слоев. Как видно на рисунке,  вблизи поверхности твердый раствор распадается уже на три совершенно отдельные структуры – пик отражения разделяется на три отдельных пика (нижняя кривая на рисунке8 (б). 

 


                                  а                                                             б

Рисунок 8 - Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образца системы Al-Ti-Al-латунь после 3-часового отжига при температуре 470°С,  снятые в скользящих пучках (а) и  разложение пика твердого раствора цинка в меди на дифрактограммах снятых в режиме Θ – Θ в скользящих пучках (б)

 

         Снимки микроструктуры образцов до и после отжига подтверждают формирование сложной гетерогенной структуры на поверхности в результате отжига.  Как видно на рисунке 9, до отжига поверхность представляет собой равномерную мелкозернистую структуру (рисунок 9а) в то время как после отжига на поверхности образца отчетливо видны вкрапления фаз (рисунок 9б)

 а    б

Рисунок 9  - Микроструктура поверхности пленки до (а) и после (б) отжига при 4700С

Проведенные измерения показали, что после отжига микротвердость повышается в среднем на 95%.

 

Рисунок 10 – Рентгенограммы образца Al-Ti-Al на подложке латуни после отжига при  500ºС (вверху) и 600ºС (внизу)

 

Дальнейшие отжиги при температурах 500 и 600°С (рисунок 10)приводят к значительному росту объема фаз интерметаллидов в системе алюминий-титан-алюминий-латунь, сопровож-дающийся улучшением структурного совершенства приповерхностного слоя.

В четвертой главе подробно изложен метод Ритфельда  для математической обработки данных рентгеноструктурного анализа и  применение этого метода для определения толщины пленок, фазового состава и структуры приповерхностных слоев в мультислойных системах.

Для изучения процессов формирования поверхностных структур при термической обработке латуни с напыленными ультратонкими слоями цветных металлов необходимо в первую очередь исследовать особенности процессов диффузии и фазообразования, происходящих вблизи границ раздела подложка/пленка и пленка/пленка. При исследовании термически индуцированных диффузионных процессов на границе раздела пленка/подложка необходимо контролировать изменения,  происходящие в интервале глубин~10¸5000 нанометров. Для исследования профилей фазового состава по глубине поверхностного слоя, микронапряжений и определения параметров диффузии элементов вблизи границ раздела был адаптирован и впервые применен для сложной многофазной системы метод Ритфельда.

Использование метода Ритфельда для обработки данных рентгеновской дифрактометрии позволяет провести послойный анализ фазового состава поверхностного слоя и с хорошей степенью точности определять толщину покрытия.

При расчетах за основу, в соответствии с методом Ритфельда,  бралось отношение интегральных интенсивностей If (пленка) и Is (подложка):

   ,                      (1)

где

         , ,  cos(gf -gs)~1.

 mf - массовый коэффициент поглощения пленки, gf - угол между падающим (скользящим) пучком и пленкой, bf – угол между диффрагированным   пучком и пленкой Ff – структурный фактор для пленки, l- длина волны рентгеновского излучения, Vf – объем элементарной ячейки материала пленки,  2qf – Брэгговский угол для пленки, gS + bS = 2qS, а FS, VS, qS, mS, gS, bS – величины подложки соответствующие аналогичным величинам пленки Ff , Vf , qf , mf, gf, bf

Уточнение атомных структур методом Ритфельда дало следующие значения параметров решетки фаз: для a-латуни (Fm3m) - a=b=c=3.69179(2)Å, a=b=g=90°, объем элементарной ячейки V=50.32(0)Å3, для алюминия Al(Fm3m) - a=b=c=4.04676(30)Å, a=b=g=90°, V= 66.27(1)Å3 . Уточненные величины углов отражения рефлексов Al(111) и a-латуни(111) составили 38.5° и 42.37°, соответственно°.

Средние размеры кристаллитов  оценивались по рефлексам Al(111)  (2q=38.5°) и a-латуни(111) (2q=42.37°) с применением формул Шеррера: D=k×l/[(B-b)×cosq] для лоренцевской и D=k×l/[(B2-b2)1/2×cosq] для гауссовской  форм линий соответственно. Здесь k- константа (0.89), D – диаметр кристаллита, l-длина волны излучения, B - значение полной угловой ширины на половине высоты (ПШПВ) рефлекса  образца, b – то же для эталона (аппаратная функция).

Для рефлекса Al(111) B=0.156° и b=0.141°, для рефлекса a-латуни(111) B=0.158° и b=0.1435°. Значения аппаратной функции b были получены линейной аппроксимацией значений ПШПВ рефлексов эталона к углам отражения 38.5° и 42.37°. В качестве  эталона использовалась порошковая смесь 2 модификаций кремния с различными структурами. Таким образом,  средний размер кристаллитов алюминия DAл составил 0.49 мкм, а средний размер кристаллитов  латуни DЛат – 0.64 мкм.

Численные расчеты толщины пленки выполнялись согласно формуле (1), при этом брались отношения интенсивностей максимальных рефлексов Al(111) и a-латуни (111).

В результате расчетов была определена толщина алюминиевого покрытия 1,1 мкм.  В качестве дополнительного метода определения толщины  алюминиевого покрытия на подложке латуни и анализа содержания алюминия по глубине образца после проведения отжигов использовался метод РОР протонов на ускорительно перезарядном комплексе УКП-2-1 ИЯФ НЯЦ РК. Данные расчетов хорошо согласуются с данными РОР - 1.1± 0.1мкм.

 

Заключение

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований:

1. В процессе отжига при температуре 500°С алюминиевой пленки на подложке из однофазной латуни алюминий растворяется в материале подложки с формированием фазы интерметаллида Cu9Al4, обладающей повышенной микротвердостью и имеющей кубическую структуру типа P-43m с параметром решетки а = 8,704 Å. Показано, что процесс растворения пленки алюминия происходит преимущественно по границам зерен подложки и приводит к увеличению средней микротвердости образца на 23%.

2. При температуре отжига 500°С пленки титана на подложке из латуни имеет место структурная перестройка пленки с формированием мелкозернистой структуры, сопровождающейся частичным растворением атомов титана в материале подложки и формированием небольшого количества новой фазы, обладающей высокой микротвердостью. Установлено, что, несмотря на малое содержание новой фазы, средняя микротвердость образца возросла на  75%.

3. Разработан математический метод обработки данных рентгеновской дифракции с использованием скользящих рентгеновских пучков для послойного исследования сложных гетерогенных систем. На основе соотношений для интегральных интенсивностей пучков, отраженных поверхностной пленкой алюминия и подложкой, определена толщина пленки алюминия, составившая величину ~1 мкм. Показано, что вблизи поверхности раздела процессы фазовых превращений отличаются от процессов происходящих в монолитных образцах при тех же температурах. Диффузия алюминия вглубь разогретой до температуры 200°С подложки с формированием фазы твердого раствора алюминия в Cu(Zn) имеет место уже в процессе осаждения пленки.

4. Методами рентгеновской дифракции в скользящих пучках в сочетании с методами резерфордовского обратного рассеяния протонов (РОР) и металлографии проведены исследования термически индуцированных диффузионных процессов на границе раздела пленка/подложка для пленок алюминия на подложке латуни.  Показано, что после 1 часового отжига при температуре 395°С пленок алюминия толщиной ~1 мкм на латуни не обнаружено появления каких-либо Al-Cu интерметаллидных фаз за интерфейсной областью в глубине латуни. Установлено, что интерфейсный слой Al-латунь, сформировавшийся в результате термически индуцированных диффузионных процессов, имеет толщину ~ 400 нм на глубине 1.1± 0.2 мкм. Средние размеры кристаллитов в плоскостях Al(111) (2q=38.5°) и a-латуни (111) (2q=42.37°) составили 0.49 и 0.64 мкм, соответственно. Параметры решетки фаз после уточнения методом Ритфельда для алюминия Al (Fm3m) - a=b=c=4.04676(30)Å, a=b=g=90° и для  a-латуни (Fm3m) - a=b=c=3.69179(2)Å,  a=b=g=90°. Полученный слой обладает хорошей адгезией и повышенными механическими свойствами.

5. Дополнительный отжиг при температуре 415°С приводит к диффузии атомов алюминия вглубь образца с формированием монотонно-спадающего профиля распределения атомов алюминия в a-латуни. По величине концентрации и форме профиль оказался близок к расчетному.

6.  При температуре отжига 470°С в многослойной системе алюминий-титан-алюминий-латунь на подложке латуни образуются образование интерметаллиды Ti(Cu,Al) и Cu2Al3. Фаза Ti(Cu,Al)2 (2q=39,20) формируется ближе к поверхности, чем Cu2Al3  (2q=430).

7. Появлению интерметаллидов предшествует образование двух промежуточных фаз – растворов, обогащенных атомами алюминия и титана. Показано, что вследствие диффузионных процессов происходит расслоение твердого раствора цинка в меди на три близкие структуры с разным параметром решетки. Одна из фаз, занимающая промежуточное положение ближе к поверхности, представляет собой раствор титана и цинка в меди, вторая фаза с меньшим параметром решетки, представляющая собой раствор алюминия и цинка в меди, концентрируется ближе к поверхности превышает микротвердость латуни на ~95%.

8. В процессе дальнейшего отжига при температурах 500 и 600°С наблюдается значительный рост объема фаз интерметаллидов в системе алюминий-титан-алюминий-латунь, сопровождающийся улучшением структурного совершенства приповерхностного слоя.

           Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленные в работе задачи решены полностью. Получены тонкопленочные системы с хорошей адгезией пленок с подложкой и между слоями. Определены оптимальные режимы термической обработки, получены устойчивые интерметаллические фазы, обладающие высокими прочностными, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Разработан математический метод обработки данных по дифракции скользящих рентгеновских пучков для послойного исследования сложных гетерогенных систем будет использован в исследовательских лабораториях для определения фазового и элементного состава, толщины поверхностного слоя и средних размеров кристаллитов, а также величины микронопряжений. Исследованы процессы диффузии и фазообразования в приповерхностных слоях.

           Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты исследования служат научной основой для создания упрочняющих покрытий, на основе интерметаллидов, обладающих, наряду с высокой пластичностью и прочностью при высоких температурах, превосходными антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Получен акт внедрения метода для проведения послойного неразрушающего анализа поверхностного слоя материалов в Научно-исследовательском институте экспериментальной и теоретической физики Казахского национального университета имени Аль-Фараби. Указанный метод  и результаты экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс в КазНТУ им. К.И.Сатпаева.

 Оценка технико-экономической эффективности внедрения. С помощью математического метода обработки данных рентгеновской дифракции с использованием  скользящих рентгеновских пучков для послойного исследования сложных гетерогенных систем можно провести неразрушающий анализ фазового и элементного состава поверхностного слоя, а также с высокой степенью точности определять толщину покрытия, средний размер кристаллитов и величину микронапряжений. Использование данного метода значительно сокращает время обработки данных, повышает точность исследований и при этом не требует предварительной обработки образцов.

         Оценка научного уровня выполняемой работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. На основе научных разработок, представленных в работе, впервые получены научные результаты о структуре и свойствах в мультислойных тонкопленочных структур на основе металлов. Разработаны эффективные технические решения по получению высокопрочных и коррозионно-стойких пленочных покрытий и математической обработке данных по рентгеновской дифракции. Полученные  в диссертационной работе результаты соответствуют современному научно-техническому уровню, были представлены в четырех международных конференциях в США, Турции и Украине. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием комплекса современных методов исследования, не противоречат известным научным положениям физического материаловедения.

 

 

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1.     Куанышбекова Ж.Н., Керимов Э.А., Волкова Т.В. Особенности процессов растворения и фазовых переходов в тонких пленках титана и алюминия на подложке латуни при термической обработке, «Вестник» КазНУ, 2005, №1,С. 44-48.

2.     Волкова Т.В.,  Куанышбекова Ж.Н., Керимов Э.А., Тулеушев Ю.Ж., Применение рентгеноструктурного анализа скользящим пучком для исследования двухслойной системы Алюминий/латунь, «Вестник» КарГу, 2004, №4, С. 9-17.

3. Смагулов Д. У., Куанышбекова Ж.Н., Исследование особенностей фазовых и структурных превращений вблизи поверхностей раздела в мультислойных тонкопленочных структурах, «Поиск», 2007, № , С. 245-248.

4.     Kerimov E.A.,  Kuanyshbekova Zh.N.,  Volkova T.V., Tuleushev Ju.Zh., X-ray determination of x-profiles in Al/brass lamellar systems, Proceeding of iks2005, Antalya, Turkey, P. 238.

5.     Volkova T.V., Kerimov E.A., Kuanyshbekova Zh.N., The thermal induced      phase transformations processes in the thin aluminium coating of a-brass substrate, Proceeding of TMT 2005, Turkey, P.147.

6.      Волкова Т.В., Керимов Э.А., Куанышбекова Ж.Н., Тулеушев Ю.А.,Рентгено – дифрактометрические исследования  многослойных систем Ti-Al-латунь, Труды пятой международной конференции «Ядерная и радиационная физика», Алматы, Казахстан, 2005, С. 421-422.

7.      Куанышбекова Ж.Н., Особенности процессов растворения и фазовых переходов в тонких пленках титана и алюминия на подложке латуни при термической обработке, Тезисы докладов Международной школы- семинара, посвященной Году науки и культуры России в Казахстане, Усть-Каменогорск, 2004, С. 69-70.

8.     Куанышбекова Ж.Н., Волкова Т.В., Керимов Э.А., Останина В.А. Рентгено – дифрактометрические исследования  многослойных систем Ti-Al-латунь в скользящих пучках «Вестник АН РК», 2005, №5, С. 76 – 82.

9.     Волкова Т.В., Керимов Э.А., Куанышбекова Ж.Н., Горлачев И.Д., Применение методов математической обработки данных рентгеновской диффракции при изучении диффузионных процессов в слоистой системе  Al – латунь, Труды пятой международной конференции «Ядерная и радиационная физика», Алматы, 2005 г., С. 408-409.

10. Kuanyshbekova Zh.N.,“X – ray diffraction investigation of the Al – Ti – Al – α-brass multi-layer systems”, Material Research Society Fall Meeting “MRS FALL MEETING - 2005”, Boston, MA, USA, 2005, P.129.

11. Волкова Т.В., Керимов Э.А., Куанышбекова Ж.Н., Тулеушев Ю.А., Рентгено –   дифрактометрические исследования  многослойных систем Ti-Al-латунь после последовательной термической обработки, Труды конференции молодых ученых «КоМУ - 2005», Ижевск, Россия, 2005, С. 35.

12. Смагулов Д.У., Куанышбекова Ж.Н., Исследование закономерностей фазовых и структурных превращений вблизи поверхностей раздела в мультислойных тонкопленочных структурах на основе металлов, Труды XII Сессии Научного совета по новым материалам Международной ассоциации академий наук (МААН), Киев, Украина, 2007, С. 191-194.

         

 

 

 

 

 

 

 Қуанышбекова Жарқынай Нөкербанқызы

 

МЕТАЛДАР НЕГІЗІНДЕГІ КӨП ҚАБАТТЫ ҚҰРЫЛЫМДАРДАҒЫ ФАЗАЛЫҚ ӨЗГЕРІСТЕРДІҢ ЗАҢДЫЛЫҚТАРЫН ЗЕРТТЕУ

05.16.01 – Металтану және металдарды термиялық өңдеу

 

АНДАТПА

 

         Жұмыстың мақсаты: Жездің бетіндегі көп қабатты алюминий-жез, титан-жез және алюминий-титан-алюминий-жез тәрізді жұқа қабыршықтарда орын алатын фазалық және құрылымдық өзгерістердің заңдылықтарын және олардың металдық негіздің беткі қабатының механикалық қасиеттеріне әсерін зерттеу.

         Зерттеу барысында шешілуге тиісті мәселелер: Металдық негізбен және өзара адгезиясы жақсы көп қабатты жұқа қабыршық жүйелерді алу; беткі қабатында интерметалдық қосылыстар алу үшін қажетті оптималдық термиялық өңдеу режімдерін анықтау; рентгендік талдау әдістерін беттік жұқа қабаттарда орын алатын фазалық және құрылымдық өзгеріс процестерін зерттеу үшін қолдану; беткі қабаттардағы диффузиялық және фазалардың пайда болу процесстерін зерттеу.

         Зерттеу кезінде қолданылған әдістемелер. Жұмыста материалдардың химиялық және фазалық құрамын, микроқұрылысын және механикалық қасиеттерін зерттеудің қазіргі заманғы стандарттық әдістемелері – химиялық, рентгендік-фазалық және физико-химиялық талдау, электрондық және оптикалық микроскопия, маткриалдардың механикалық қасиеттерін анықтау әдістері қолданылған. Зерттеу нәтижелері компьютерлік программалардың көмегімен өңделген.

         Жұмыстың негізгі нәтижелері. Алғаш рет алюминий-титан- алюминий-жез негізіндегі көп қабатты қабыршық жүйелер мен металдық негіздің беткі қабатында жүретін фазалық өзгерістердің заңдылықтары зерттелді.

            Жұқа қабыршықтардың шекараларында және металдық негіздің беткі қабатында элементтердің диффузиялық параметрлері және құрылымдық микрокернеулер анықталды. Алғаш рет термиялық өңдеу режімінің фазалық және құрылымдық өзгеріс процестеріне әсері зерттелді.

Термиялық өңдеу кезінде металдық негіздің беткі қабатының беріктігін арттыратын интерметаллидтер пайда болады. Бұл фазалардың химиялық құрамы және атомдық-кристалдық құрылысы анықталды.

Рентгендік дифракция нәтижелерін өңдеудің жаңа математикалық әдісі ұсынылған. Әртүрлі қабыршықтармен жабылған жездің беткі қабатында жүретін құрылымдық өзгерістердің маталдың беріктік көрсеткіштеріне әсері зерттелді. Металдық негіздің және қабыршықтардың негізгі көрсеткіштері мен термиялық өңдеу режімінің беткі қабаттың құрылысы мен қасиеттеріне әсері зерттеледі.

         Зерттеу нәтижелерін іс жүзінде пайдалану. Көп қабатты наноқұрылымдық  алюминий-титан-жез жүйелерінде жүретін фазалық өзгерістерді және олардың механикалық қасиеттерін зерттеу нәтижелерін басқа материалдардың қолданбалы қасиеттерін жақсарту үшін қолдануға болады. Қабыршықтардың оптимал қалыңдықтарын және оптимал термиялық өңдеу режімдерін анықтау нәтижелері интерметалидтер негізінде аса берік, үйкеліске және коррозияға шыдамды жаңа беттік қорғаушы қабаттар алудың ғылыми негізі бола алады.

           Рентгендік дифракция нәтижелерін өңдеу үшін ұсынылып отырған жаңа математикалық әдіс көп қабатты қабыршықтардың және металдық негіздің фазалық құрамы мен құрылысын, қалыңдығы мен микрокристаллиттердің орташа өлшемдерін және микроқұрылымдық ішкі кернеулерді аса үлкен дәлдікпен анықтауға мүмкіндік береді. Бұл әдіс Аль-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің Тәжрибелік және теориялық физика ғылыми-зерттеу институтында материалдардың беткі қабатын бұзбай талдау үщін қолдануға шешім қабылданған.

           Зерттеу нәтижелерін қолдану аймағы. Рентгендік дифракция нәтижелерін өңдеу өдісін іс жүзінде ғылыми-зерттеу лабораторияларында және оқу процесінде қолдануға болады. Зерттеу нәтижелері басқа материалдардың бетінде интерметалидтер негізінде аса берік, үйкеліске және коррозияға шыдамды жаңа беттік қорғаушы қабаттар алу және  олардың қолданбалы қасиеттерін жақсарту үшін ғылыми негіз болып табылады.

           Жұмыстың маңыздылығы. Наноқұрылымдық материалдардың электрондық және микроқұрылымын модификациялау кезінде орын алатын өлшемдік өзгеріс эффектілерінің, микрокристалдардың аса үлкен меншікті шекаралық ауданының және материалдардың химиялық құрамы мен  өңдеу режідерінің олардың қасиеттеріне көрсететін әсер ету заңдылықтарын зерттеу әзіргі заманғы физикалық материалтану ғылымының алдында тұрған аса үлкен проблема болып табылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kuanyshbekova Zharkynay Nukerbanovna

 

THE STUDY OF REGULARITIES OF THE PHASE TRANSFORMATIONS IN MULTILAYER STRUCTURES ON BASIS OF METALS

05.16.01 – Physical metallurgy and heat treatment of metals

 

SUMMARY

 

Purpose of the work: Investigation of phase forming and regularity structure change processes which happen in the Al- brass, Ti – brass and Al – Ti – Al – brass thin films and analysis of their impact to the surface layer mechanical properties of the metal base.

Tasks to be resolved during the investigation: Getting the multilayer thin film systems with good adhesion both between films and metal base; determination of optimal modes of the thermal treatment on the surface layer of the intermetallic compounds; using the X-ray analysis methods to study the processes of phase and structure changes that take place on surface of thin films; researching the diffusion and phase forming processes on the surface layer.

Methods used during the investigation: During the investigation in order to determine the chemical and phase contents of the materials there were used following methods:  chemical, X-ray – phase and physics-chemical analysis, electron and optical microscopy. Investigation results were handled by the computer programs.

Results achieved. For the first time there were investigated the rules of phase changes which take place on multilayer film layers of both Al – Ti – Al – brass and metal bases.

There were determined diffusion parameters of elements and structural micro tensions both on surface of metal base and thin film interfaces. Studies were held on the effect of thermal treatment modes to phase and structural change processes.

Appearance of the intermetallic components during the thermal treatment, which increase the solidity of the metal base surface. There were defined the chemical contents and atomic crystal structure of these phases.

There was applied new mathematical method for handling X-ray diffraction results. There were studied the impact of structural changes to the metal solidity rate, that take place on the brass surface covered with different films. There were studied the effects of metal base, important indexes of films and thermal treatment modes to the surface layer’s structure and properties.

Practical usage of the investigation results. Phase changes that occur within the multilayer, nanostructures Al – Ti – Al – brass systems, as well as of their mechanical property investigation can be easily applied to the materials to improve mechanical properties. Results used to define optimal film thickness and best mode for the thermal treatment consider appearance of intermetallics, which in their turn can serve as a new protective surface with good solidity, corrosion and friction stable features.

New mathematical method offered for handling X-ray diffraction data gives best definition accuracy during calculation of following operations:

-         definition of content thickness and structure of both multilayer films and metal base;

-         Determining average rate of microcrystallics and micro structural intra tensions.  

There was taken a decision to use this, nondestructive method of material surface investigation in laboratories of Kazakh National University named by Al-Pharaby.

Areas to apply the investigations results. X-ray diffraction data handling methods can be practically used in scientific research laboratories and training centers.

Results used to define optimal film thickness and best mode for the thermal treatment consider appearance of intermetallics on the surface of other materials, which in their turn can serve as a new protective surface with good solidity, corrosion and friction stable features.

         The importance of this work. The investigation of the effect rules of big specific surface area of microcrystals and material chemical contents to the applied methods and properness, as well, dimension change effects that take place during modification of material micro and  nanostructure are all actual problems before scientists of metallurgy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вы 20327080-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016