Закономірності дифузії в інтерметалідах та сплавах на основі перехідних металів

РОЗДІЛ 2
МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
У даній дисертаційній роботі використано цілий спектр методик фізичного
дослідження: від дифузії радіоактивних ізотопів, методів електронної
мікроскопії, рентгенівського дослідження до комп’ютерного моделювання
дифузійних процесів.
2.1. Есперименти з міченими ізотопами
2.1.1. Приготування вихідних матеріалів
Чисті метали (Fe з чистотою 99.99 ваг.%, Ni – 99.998 ваг.%, Al – 99.999 ваг.%,
Ti – 99.99 ваг.%) використовувались для плавки сплавів, які досліджу­ва­лись в
даній роботі. Використовувалася індукційна плавка в тиглях з окису Алю­мінію з
подальшим литтям у мідні форми. Бінарні сплави з необхідним спів­від­ношенням
компонент (Ti3Al, TiAl, Ni3Al, NiAl, Fe3Al, FeAl) отримувались шля­хом точного
підбору вихідної кількості чистих металів. Потрійні сплави виплав­лялись шляхом
послідуючої переплавки необхідної кількості бінарних сполук.
Для дослідження об’ємної дифузії в деяких випадках (сплави Ni3Al і NiAl)
вирощувалися монокристали методом Бріджмена. Детальні відомості про
приготування вихідних матеріалів описані в роботах [36,39,42].
Особливості приготування нанокристалічних сплавів залізо-нікель описані у
відповідному розділі 4, оскільки вони мають пряме відношення до результатів
дослідження.
Однорідність зразків та точні концентрації компонент вимірювались за допомогою
електронного мікрозонду.
Для дослідження міжзеренної дифузії використовувалась особливо чиста мідь з
чистотою 99.9998 ваг.%.
Циліндричні полікристалічні зразки сплавів Cu-Bi з відповідно 0, 20, 36, 61,
81, 99, 120, 130, 180 та 450 мільйоних часток Bi були одержані шляхом вакуумної
виплавки в Штутгарті, в групі проф. Густа, з використанням металів Cu та Bi
чистоти 99.999 ваг.%. Усі зразки були відпалені протягом 24 годин при
температурі 1273 K у кварцевих ампулах. Концентрація Bi в зразках була
встановлена методом спектроскопії атомного поглинання. Деталі теплової обробки
аналогічні описаним у роботі [86].
2.1.2. Приготування зразків для дослідження
Методом іскрового різання заготовок були приготовлені зразки для дос­ліджень
(типові розміри – циліндри діаметром 8 мм та завтовшки 3 мм). У ви­пад­ку
крихких фаз NiAl використовувалась різка за допомогою вольфра­мового дроту
[36]. Середній розмір зерна в полікристалічних матеріалах дорівнював 100 –300
мкм. Перед дифузійним дослідженням зразки були відпалені при темпера­ту­рах та
протягом часу подальших дифузійних відпалів. Ці відпали дозволили
ста­бі­лі­зувати мікроструктуру та гарантувати рівноважну сегрегацію всіх
мож­ливих домішок. Відпали були виконані у кварцевих ампулах в атмосфері Ar
(тиск приблизно 101 Пa) для порівняно низьких температур (менше 1300 К) та в
умо­вах динамічного високого вакууму (тиск приблизно 10-5 Пa) для вищих
температур.
Для відпалів зразки поміщали в спеціальні щільні контейнери з того ж самого
матеріалу, який додатково обгортався танталовою фольгою.
2.1.3. Проведення дифузійних відпалів
Радіоізотоп 63Ni (час піврозпаду 100 років) використовувався у вигляді
розбавленого розчину соляної кислоти. Радіоізотопи 207Bi (час піврозпаду 38
років) та 44Тi (час піврозпаду 40 років) було одержано у формі нітратних
розчинів. Оригінальні розчини були далі розчинені з використанням подвійно
дистильованої води.
Радіоізотопи 64Cu (час піврозпаду 12.7 годин), 110mAg (час піврозпаду 252 днів)
та 59Fe (час піврозпаду 45 днів) були отримані шляхом нейтронного опромінення
відповідних чистих металів. Специфічна активність досягала 500 MБк/мг.
Активовані частки металів були розчинені в азотній кислоті і потім додатково
розчинені в подвійно-дистильованій воді.
У випадку самодифузії нікелю та об’ємної дифузії домішок в інтерметалідах
використовувалось також дослідження швидкості дифузії стабільних ізотопів. У
цьому випадку, скажімо, використовувався збагачений ізотоп 64Ni (природна
частка менше проценту в нікелі).
Крапля відповідного ізотопу наносилась на поліровану поверхню зразка. Початкові
активності сягали 10000 бекерель на зразок для довгоживучих ізотопів (скажімо
Bi), в той час як 100000 бекерель 64Cu наносилося на поверхню зразка, оскільки
останній має досить короткий час піврозпаду. Зразки запаювалися в кварцеві
ампули в атмосфері аргону для подальших дифузійних відпалів. Сплави перехідних
металів спочатку поміщалися в щільні контейнери з того ж самого матеріалу, щоб
уникнути випаровування алюмінію під час відпалів та підвищення рівня небажаних
домішок. Контейнери спочатку обгортались фольгою з танталу, а потім поміщалися
в печі.
2.1.4. Одержання концентраційних профілів
Після дифузійних відпалів діаметр зразків зменшувався на 1-2 мм, щоб уникнути
впливу радіальної дифузії. Концентраційні профілі (рис.2.1) отримувались
різними методами в залежності від глибини дифузії та типу дифундуючого
ізотопу.
Механічне різання послідовних шарів за допомогою мікротома використо­вувалась у
випадку дослідження міжзеренної дифузії в міді та мідних сплавах. Знімались
послідовні паралельні прошарки товщиною від 2 до 10 мкм. Глибина обраховувалася
шляхом вимірювання маси окремих шарів за умови, що відомі їх питома вага та
зовнішній діаметр зразка. Отримувались концентраційні профілі глибиною до 700
мкм.
Механічне зняття послідовних шарів шліфуванням використовувалось для
високотвердих зразків алюмінідів перехідних металів та нанокристалічних сплавів
залізо-нікель. Використовувся спеціально розроблений пристрій для точної
зшліфовки послідовних шарів. Глибина обраховувалася шляхом вимірювання маси
зразка до і після зняття кожного прошарку за умови, що відома питома вага
матеріалу та зовнішній діаметр зразка.