Закономерности изменения элементного состава приповерхностных легированных слоев

Рентгеноспектральный микроанализ

Определение концентрации легирующих элементов в поверхностном слое титана осуществлялось на основе энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), в основе которого лежит регистрация характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) атомов исследуемого материала, возбуждаемого падающими электронами. В этом случае интенсивность ХРИ атомов пропорциональна их концентрации в анализируемой области.

Определение элементного состава исследуемых образцов методом РСМА осуществлялось с помощью микроанализатора Rontec, работающего совместно с растровым электронным микроскопом LEO 1455 VR Использовались следующие режимы работы: ускоряющее напряжение - 20 кВ, SiLi - полупроводниковый детектор, время записи спектра - не менее 300 с. Относительная погрешность определения атомной концентрации легирующих элементов не превышала 10%. Размер (глубина) области генерации ХРИ в образце определялся на основе следующего соотношения [116]:

где г - глубина области генерации (мкм); Е0 - энергия падающих на поверхность электронов (кэВ); Ес - критическая энергия возбуждения (кэВ); р - плотность вещества (г/см3).

Критическая энергия возбуждения ХРИ для атомов титана составляет 4,5 кэВ. Следовательно, область генерации г по соотношению (3.1) составляет ~0,9 мкм.

Результаты РСМА позволили установить, что воздействие на титан с предварительно нанесенными металлическими покрытиями (Mo, Cr, Ni, Zr, А1) КПП с плотностью поглощенной энергии 13-35 Дж/см2 приводит к легированию его поверхностного слоя атомами элементов соответствующих покрытий, причем обнаружено, что при повышении Q от 13 до 35 Дж/см2 происходит снижение концентрации легирующих элементов (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Концентрация легирующих элементов в поверхностном слое титана после воздействия тремя импульсами КПП

Концентрация легирующего элемента, ат.%

13

11

14

6,8

3,1

36

40

19

9,4

7,9

3,7

1,5

24

19

23

5,5

5,3

1,3

0,5

9,4

3,1

35

1,4

2,6

0,2

-

-

-

Совокупность экспериментально полученных данных позволила установить, что с повышением Q плазменного потока от 13 до 23 Дж/см2 в системе Mo/Ti (dMo = 2 мкм) происходит снижение концентрации молибдена в поверхностном слое от 11 до 5,5 ат.%, атомов циркония в системе Zr/Ti (d7r = 2 мкм) - от 14 до 5,3 ат.% [117, 118].

Объяснение полученных закономерностей изменения элементного состава может быть дано на основе анализа тепловых процессов, происходящих в обрабатываемом материале. Увеличение Q от 13 до 23 Дж/см2 приводит к повышению температуры поверхностного слоя образцов от 2200 до 3350 К, подтверждающемуся численными расчетами пространственного распределения температуры, вследствие чего увеличивается глубина расплавленного слоя. Анализ распределения интенсивности ХРИ, генерируемого атомами легирующих элементов и зарегистрированного вдоль поперечных сечений (рис. 3.3-3.6), позволил выявить увеличение глубины легированного слоя от 15 до 28 мкм для системы Mo/Ti и от 12 до 20 мкм для системы Zr/Ti при повышении Q от 13 до 23 Дж/см2.

Распределение интенсивности ХРИ линии К молибдена по глубине поверхностного слоя системы Mo/Ti до воздействия КПП (на вставке - РЭМ- изображение поперечного сечения)

Рис. 3.3. Распределение интенсивности ХРИ линии Ка{ молибдена по глубине поверхностного слоя системы Mo/Ti до воздействия КПП (на вставке - РЭМ- изображение поперечного сечения)

РЭМ-изображения поперечных сечений (а, в, д) и распределения интенсивности ХРИ линии К молибдена (б, г, е) по глубине поверхностного слоя титана после воздействия КПП

Рис. 3.4. РЭМ-изображения поперечных сечений (а, в, д) и распределения интенсивности ХРИ линии Ки] молибдена (б, г, е) по глубине поверхностного слоя титана после воздействия КПП: а, б - Q = 13 Дж/см2, п = 3; в, г - Q = 19 Дж/см2, п = 3; д, е - Q - 23 Дж/см2, п - 3

РЭМ-изображения поперечных сечений (а, в, д) и распределения интенсивности ХРИ линии К хрома (б, г, ё) по глубине поверхностного слоя титана после воздействия КПП

Рис. 3.5. РЭМ-изображения поперечных сечений (а, в, д) и распределения интенсивности ХРИ линии К хрома (б, г, ё) по глубине поверхностного слоя титана после воздействия КПП: а, б-Q = 13 Дж/см2, п = 3; в, г - Q = 19 Дж/см2,

п - 3; д, е - Q - 23 Дж/см2, п - 3

РЭМ-изображения поперечных сечений (а, в) и распределения интенсивности ХРИ линии L циркония (б, г) по глубине поверхностного слоя титана после воздействия КПП

Рис. 3.6. РЭМ-изображения поперечных сечений (а, в) и распределения интенсивности ХРИ линии Lal циркония (б, г) по глубине поверхностного слоя титана после воздействия КПП: а, б - Q = 13 Дж/см2, п = 3; в, г - Q = 19 Дж/см2,

п = 3

Сопоставление растрово-электронной микроскопии изображений (РЭМ-изображений) поперечных сечений с соответствующими распределениями интенсивности ХРИ показало, что микроструктура слоев, расположенных непосредственно под легированным слоем, соответствует микроструктуре нерасплавленного титана, на основе чего можно заключить, что атомы легирующих элементов перераспределяются по всей глубине расплавленного слоя.

Анализ распределения интенсивности ХРИ легирующих элементов в поверхностном слое титана, которая пропорциональна их концентрации, после воздействия КПП при Q = 13-23 Дж/см2 свидетельствует, что наблюдаемые изменения их концентрации не превышают погрешности ее определения. Это позволяет говорить о равномерном распределении легирующих элементов по глубине слоя. В областях, расположенных ниже легированного слоя, в которых не достигается температура плавления, атомов легирующих элементов не обнаружено (см. рис. 3.4-3.6).

Концентрация легирующих элементов в поверхностном слое определяется также их испарением с поверхности образца ввиду достижения высоких температур. Это подтверждается снижением концентрации легирующего элемента при многократном воздействии КПП. Так, в системе Mo/Ti с увеличением числа импульсов от 1 до 5 при Q = 13 Дж/см2 (значения плотности энергии приводятся для одного импульса) концентрация молибдена в поверхностном слое титана снижается с 14 до 6,9 ат.%. Увеличение числа импульсов воздействия при неизменной плотности поглощенной энергии способствует многократному частичному испарению атомов легирующих элементов, снижая тем самым их концентрации в закристаллизовавшихся слоях.

Процесс испарения атомов с поверхности особо ярко выражен в системе Cr/Ti, при воздействии на которую КПП при Q = 13-23 Дж/см2 (dCi = 2 мкм) происходит снижение концентрации хрома с 6,8 до 1,3 ат.%, глубина проникновения которого, а следовательно, и глубина расплава увеличиваются при этом от 12 до 27 мкм. Зафиксированные более низкие концентрации хрома по сравнению с концентрациями молибдена и циркония в поверхностном слое титана при сопоставимых глубинах расплава после воздействия КПП с аналогичными энергетическими параметрами обусловлены более низкой энергией сублимации АНсубл атомов хрома в вакууме, которая, согласно [119], составляет 395 кДж/моль (А//субл = 600 кДж/моль - для молибдена, А#субл = 620 кДж/моль - для циркония, АНсубл = 440 кДж/моль - для никеля). В этом случае интенсивное испарение хрома происходит на этапе нагрева системы Cr/Ti, что впоследствии приводит к снижению его концентрации в легированном слое после кристаллизации [120].

Интенсивное испарение атомов покрытия при воздействии КПП, приводящее к снижению их концентрации в поверхностном слое титана после кристаллизации, может быть обусловлено также относительно низкими по сравнению с титаном температурами плавления и кипения, что наблюдается в системе Al/Ti. Плавление алюминия и его последующее испарение происходят значительно раньше плавления подложки титана. В результате этого при воздействии на систему Al/Ti (<с/ = 2 мкм) КПП при Q = 13-23 Дж/см2 происходит снижение концентрации алюминия в поверхностном слое с 3,1 до 0,5 ат.%.

При воздействии на системы Mo/Ti, Zr/Ti, Cr/Ti, Al/Ti КПП с плотностями поглощенной энергии, превышающими 23 Дж/см2, температура поверхностного слоя приближается к температуре кипения компонентов, в результате чего интенсивное испарение с поверхности существенным образом снижает концентрацию легирующих элементов. Согласно результатам РСМА, концентрация легирующих элементов при Q = 35 Дж/см2 сопоставима с погрешностью их определения.

Ввиду равномерного характера распределения атомов легирующих элементов по глубине расплавленного слоя при воздействии КПП при Q = 13-23 Дж/см2 их концентрация в этом слое определяется соотношением толщин покрытия и расплава. В этом случае еще одним фактором, определяющим элементный состав поверхностного слоя после воздействия КПП, является толщина предварительно наносимого покрытия.

При воздействии тремя последовательными импульсами КПП на систему Ni/Ti (ofNj = 4 мкм) при Q = 13-23 Дж/см2 концентрация никеля в поверхностном слое титана составляет 36 и 9,4 ат.% соответственно. Глубина проникновения атомов никеля при этом повышается от 5 до 12 мкм. В случае увеличения толщины покрытия никеля до 6 мкм его концентрация в поверхностном слое после кристаллизации изменяется от 40 до 3,1 ат.% при повышении Q от 13 до 23 Дж/см2, одновременно с этим происходит увеличение глубины легированного слоя от 8 до 13 мкм [121].

Существенное повышение концентрации никеля в поверхностном слое титана после воздействия КПП при Q = 13-23 Дж/см2

и толщине покрытия никеля 4 мкм по сравнению с концентрацией хрома, молибдена или циркония при аналогичных параметрах воздействия КПП обусловлено снижением глубины расплавленного слоя, в котором происходит перераспределение атомов никеля. Это может быть связано с тем, что по сравнению со всеми отмеченными легирующими элементами никель характеризуется самой низкой температуропроводностью, которая составляет 1,4-10~5 м2/с [122].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >