Phase formation initiated by irradiation by intensive pulse electron beam system "film (Si) / (Fe) substrate".pdf Введение Разработка новых материалов и технологии их получения является объективной необходимостью развития общества. В ближайшие 20 лет 90 % современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях промышленности [1]. Среди различных видов современных материалов особое место занимают бинарные системы металл - кремний, в которых существует ряд силицидов металлов. Перспективным направлением формирования силицидов в поверхностном слое металлической подложки является облучение системы пленка - подложка интенсивным импульсным электронным пучком [2-7]. Облучение интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя системы пленка - подложка с последующим сверхбыстрым охлаждением создает предпосылки формирования многофазного поверхностного слоя с метастабильными фазами. Особенность такого структурно-фазового состояния материала проявляется, как правило, в наличии специфических физико-механических свойств. Облучение интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя является одним из наиболее жестких видов внешнего воздействия на материал поверхностного слоя. Это часто приводит к возникновению гетерогенной структуры поверхностного слоя вследствие образования структурных дефектов, аморфной фазы, химических соединений и т.п., где исходный материал является матрицей. Материал в микрообъёмах испытывает импульсные высокие тепловые и механические нагрузки, т.е. находится в условиях термосилового циклирования. Металл в таких микрообъёмах находится в слабоустойчивом состоянии [8-16], атомы в этих областях испытывают колебания с большей амплитудой в сравнении с амплитудой атомов из глубин образца. Структура материала такого микрообъёма не может быть определена в момент облучения интенсивным импульсным электронным пучком. Температурные вспышки в этих микрообъёмах, повышение средней температуры, возникновение градиентов температуры или концентрации, механических напряжений в поверхностном слое способствует переводу кристаллической решётки одной или нескольких фаз поверхностного слоя в слабоустойчивое состояние с возможностью фазового перехода. Это может проявиться, например, в виде появления микрообъёмов в аморфном состоянии. Релаксация напряжений в аморфизированных микрообъёмах, как правило, происходит в виде образования трещины при простых видах нагружения. Однако в условиях облучения интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления коэффициент диффузии в поверхностном слое близок к коэффициенту диффузии жидкости, поэтому естественно ожидать релаксацию напряжений в виде фазового перехода аморфной фазы в вязкую жидкость или путём образования ряда фаз в результате массопереноса. Целью работы является установление физических закономерностей формирования фазового состава и дефектной субструктуры поверхностного сплава, сформированного в результате облучения интенсивным импульсным электронным пучком системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка и находящегося в слабоустойчивом состоянии. Материал и методики исследования Материалом исследования являлся поверхностный сплав состава Fe-C-Si, сформированный в результате высокоскоростного плавления системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка. В качестве подложки были использованы предварительно полированные образцы стали Ст. 3 [17], имеющие форму цилиндра диаметром 15 мм и толщиной 10 мм. Нанесение плёнки кремния на поверхность образцов стали Ст. 3 и последующую импульсную электронно-пучковую обработку проводили в едином вакуумном цикле на установке «СОЛО» (ИСЭ СО РАН) [18]. Формирование системы пленка - подложка осуществляли путем осаждения на образцы стали плазмы, полученной при распылении импульсным электронным пучком плоской мишени размерами 20205 мм из поликристаллического кремния, расположенной на поверхности стола манипулятора. Образцы стали, расположенные на расстоянии ≈50 мм от мишени, крепились к плоской пластине, установленной на валу шагового двигателя, расположенного над поверхностью стола для возможности поворота обрабатываемой поверхности образцов к электронному пучку или к мишени между процессами напыления и перемешивания. Все процессы проводились в вакуумированной камере при остаточном давлении напускаемого рабочего газа (Ar) 3.5•10-2 Па. Толщина формируемой пленки кремния составляла 450-500 нм. Обработку системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка осуществляли интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя стали при следующих параметрах пучка электронов: энергия ускоренных электронов 17 кэВ; плотность энергии пучка электронов ES = 30, 40 и 50 Дж/см2; длительность импульса пучка электронов τ = 50 и 200 мкс; количество импульсов - 10; частота следования импульсов - 0.3 с-1. Выбор параметров облучения системы пленка - подложка осуществлялся на основании моделирования температурного поля, формирующегося в материале при облучении интенсивным импульсным электронным пучком [19, 20]. Исследования элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры проводили методами сканирующей электронной микроскопии (прибор Philips SEM-515 с микроанализатором EDAX ECON IV) и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (приборы JEOL JEM-2100 F и ЭМ125), рентгеноструктурного анализа (рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000). Свойства материала характеризовали твердостью (прибор ПМТ 3, нагрузка на индентор 0.5 Н). Трибологические исследования (определение износостойкости и коэффициента трения) проводили на трибометре Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (TRIBOtechnic, Франция) при следующих параметрах: шарик из стали ШХ15 диаметром 6 мм, радиус трека - 4 мм, нагрузка на индентор и длина трека варьировались в зависимости от уровня износостойкости исследуемого материала. Результаты исследования и их обсуждение Выполнены механические (определена микротвердость) и трибологические (определен параметр износа (величина, обратная износостойкости) и коэффициент трения) испытания образцов стали Ст. 3 и поверхностного слоя системы пленка (Si) - (сталь Ст. 3) в исходном состоянии и после облучения интенсивным импульсным электронным пучком. Показано, что наиболее высокие механические и трибологические свойства модифицированного слоя стали формируются при облучении системы пленка (Si) - (сталь Ст. 3) подложка электронным пучком с плотностью энергии пучка ES = 30 Дж/см2. Микротвердость сформированного слоя составляет 5480 МПа, т.е. превышает микротвердость стали Ст. 3 (HV = 1880 МПа) примерно в 3 раза. Параметр износа сформированного слоя составляет 2.010-5 мм3/(Нм), что меньше параметра износа стали Ст. 3 (1510-5 мм3/(Нм)) в 7.5 раза. Коэффициент трения модифицированного слоя стали близок к коэффициенту трения стали Ст. 3 и изменяется в пределах от ≈ 0.44 (сталь Ст. 3 в исходном состоянии) до ≈ 0.45 (модифицированное состояние). Осуществлено тестирование сформированной системы пленка - подложка. Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии установлено, что пленка кремния находится в аморфном состоянии (рис. 1, а, б). Поверхностный слой сформированной системы пленка - подложка примесных элементов (в пределах чувствительности микроанализатора EDAX ECON IV) не содержит (рис. 1, в). Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение структуры пленки кремния, сформированной путём распыления кремниевой мишени импульсным интенсивным электронным пучком (а, б); в - энергетические спектры, полученные с системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка Облучение системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка интенсивным импульсным электронным пучком сопровождается плавлением тонкого поверхностного слоя. Последующее высокоскоростное охлаждение приводит к формированию в поверхностном слое структуры ячеистой кристаллизации (рис. 2, а). Ячейки имеют округлую форму, размеры ячеек изменяются в пределах 0.2- 0.65 мкм. Поверхностный слой облученных образцов имеет рельеф, характерный для материала, претерпевшего мартенситное превращение (рис. 2, б). Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхности системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка, обработанной интенсивным импульсным электронным пучком (30 Дж/см2; 200 мкс; 10 имп.). Сканирующая электронная микроскопия Элементный состав поверхностного слоя системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка, облученной интенсивным импульсным электронным пучком, определяли методами микрорентгеноспектрального анализа. Установлено, что увеличение длительности импульса пучка электронов в интервале значений 50-200 мкс при неизменной величине плотности энергии пучка электронов и количестве импульсов (30 Дж/см2, 10 имп.) сопровождается незначительным ростом концентрации кремния в поверхностном слое стали от 3.3 ат. % при τ = 50 мкс до 3.8 ат. % при τ = 200 мкс. Двойная обработка системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка электронным пучком по схеме (30 Дж/см2, 200 мкс, 10 имп.) + (30 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.) сопровождается снижением концентрации кремния в поверхностном слое стали до 1.8 ат. %. Учитывая, что концентрация кремния в системе пленка (Si) - (сталь Ст. 3) подложка до обработки электронным пучком составляла 47 ат. %, можно предположить, что снижение концентрации кремния в поверхностном слое стали обусловлено увеличением толщины поверхностного слоя образца, легированного кремнием (не исключено разрушение пленки и ее удаление с поверхности образца при облучении электронным пучком). Анализ равновесной диаграммы состояния Fe-Si, а также диаграмм Fe-С, Si-С (учитывая присутствие в стали марки Ст. 3 небольшой (0.14-0.22 вес. %) концентрации углерода) и Fe-Si-С (рис. 3) указывает на возможное образование следующих соединений: в системе Fe-C - двух стабильных карбидов Fe3C и Fe7C3 и как минимум одного метастабильного Fe2C; в системе Si-С установлено существование только одного соединения SiC; в системе Fe-Si - пяти интерметаллических соединений Fe2Si(), Fe5Si3(), FeSi(), FeSi2(h) и FeSi2(r) (рис. 3). Рис. 3. Бинарные диаграммы состояний систем Fe-Si, Si-C и Si-C [3] и изотермическое сечение тройной системы Fe-Si-C при температуре 850 C [19] Исследования фазового состава системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка, облученной интенсивным импульсным электронным пучком, выполненные методами рентгеноструктурного анализа, выявили присутствие только лишь твердого раствора на основе α-Fe (ОЦК-кристаллическая решетка). Отсутствие карбидов и силицидов в исследуемом материале может быть обусловлено сверхвысокой скоростью охлаждения материала, реализующейся при облучении интенсивным импульсным электронным пучком, малым количеством фаз (ниже порога чувствительности прибора), малыми (нанометрическими) размерами частиц. Анализ дефектной субструктуры и выявление наноразмерных частиц вторых фаз в модифицированном слое стали осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг. Установлено, что тонкий (1-3 мкм) поверхностный слой модифицированной стали находится в слабоустойчивом состоянии: имеет структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации (рис. 4, а). Данный слой переходит в объем материала с закалочной структурой, представленной мартенситом преимущественно пакетной морфологии (рис. 4, б). Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка, облученной интенсивным импульсным электронным пучком (30 Дж/см2, 200 мкс, 10 имп.) Анализ микроэлектронограмм, полученных с исследуемого, находящегося в слабоустойчивом состоянии слоя, позволил выявить рефлексы следующих фаз: SiC, Fe3C, Fe8Si2C, FeSi. Включения интерметаллида FeSi обнаруживаются в структуре ячеистой кристаллизации модифицированного слоя (рис. 5). Размеры частиц изменяются в пределах сотни нанометров. Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение структуры стали Ст. 3, подвергнутой легированию путем обработки системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка интенсивным импульсным электронным пучком ((30 Дж/см2, 200 мкс, 10 имп.) + (30 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.)): а - светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе [111]FeSi + [110]α-Fe; в - микроэлектронограмма. Стрелками указано: а, б - частицы FeSi; в - рефлексы, в которых получено темное поле (б) Частицы карбида железа (цементит) выявляются, преимущественно, в объеме и на границах кристаллов мартенсита, т.е. в подповерхностном слое. Карбиды кремния и карбосилициды железа обнаруживаются как в слое ячеистой кристаллизации, так и в слое, закаленном с образованием мартенситной структуры. Размеры частиц карбидной фазы изменяются в интервале 10-20 нм (рис. 6). Следует отметить, что облучение металлов и сплавов интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя и последующей высокоскоростной кристаллизации часто приводит к образованию локальных слабоустойчивых областей, в которых проявляется тенденция к образованию метастабильных наноструктурных состояний вплоть до аморфизации материала [20]. Рис. 6. Электронно-микроскопическое изображение структуры стали Ст. 3, подвергнутой легированию путем обработки системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка интенсивным импульсным электронным пучком (30 Дж/см2, 200 мкс, 10 имп.): а - светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе [200]SiС + [110]α-Fe; в - микроэлектронограмма. Стрелками указано: а, б - частицы SiС; в - рефлексы, в которых получено темное поле (б) Выводы Осуществлено поверхностное легирование стали марки Ст. 3 кремнием путем плавления системы пленка (Si) - (Ст. 3) подложка интенсивным импульсным электронным пучком. Выявлены режимы облучения, позволяющие кратно увеличить микротвердость и износостойкость поверхностного слоя стали, что обусловлено формированием закалочной структуры, упрочненной наноразмерными частицами силицидов железа, карбида кремния, карбидов и карбосилицидов железа. Показано, что облучение металлов и сплавов интенсивным импульсным электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя и последующей высокоскоростной кристаллизации часто приводит к образованию локальных слабоустойчивых областей, в которых проявляется тенденция к образованию метастабильных наноструктурных состояний вплоть до аморфизации материала. Разработанная методика может быть использована для формирования на поверхности деталей и изделий многоэлементных многофазных слоев с субмикро- и нанокристаллической структурой, обладающих высокими прочностными и трибологическими свойствами.

Скачать электронную версию публикации