СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
1. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.........................................17
1.1. Влияние ионного облучения на структуру и свойства
алюминия и его сплавов..................................17
1.2. Материалы..............................................28
1.3. Методы ионно-лучевой обработки.........................31
1.3.1. Облучение непрерывными и имиульсно-периодическими пучками ускоренных ионов Аг~............................31
1.3.2. Облучение импульсными мощными пучками ионов
70% С++30% КГ......................................45
1.4. Методы исследования....................................47
2. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ НА ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЬ1Й ТЕРМИЧЕСКИ НЕУПРОЧНЯЕМЫЙ СПЛАВ АМГ6 (А1^)..............................50
2.1. Результаты механических испытаний......................50
2.2. Изучение роли плакирующего слоя в изменении механических свойств сплава АМгб при ионном
облучении...............................................61
2.3. Металлографический анализ структуры сплава АМгб........66
2.4. Результаты электронно-микроскопических исследований образцов сплава АМгб после холодной деформации,
отжига и облучения ионами Аг+...........................68
2.5. Сравнение характера влияния ионного облучения и нагрева (аналогичного нагреву при облучении) на механические свойства и структуру холоднодеформированного сплава
АМгб....................................................86
2
Выводы........................................................92
3. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ НЛ ХОЛ ОДНО ДЕФОРМИРОВАННЫЕ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЕ СПЛАВЫ 1441 (Al-Li-Cu-Mg)
И ВД1 (Al-Cu-Mg)...........................................95
3.1. Сплав 1441............................................95
3.1.1. Результаты механических испытаний................95
3.1.2. Металлографический анализ образцов сплава 1441..100
3.1.3. Результаты электронно-микроскопических исследований образцов сплава 1441 после холодной деформации,
отжига и облучения ионами Аг+.....................106
3.2. Сплав ВД1............................................128
3.2.1. Результаты механических испытаний...............128
3.2.2. Результаты электронно-микроскопического исследования сплава ВД1 после холодной деформации, отжига и облучения ионами Arf................................. 136
3.3. Сравнение характера влияния ионного облучения и нагрева (аналогичного нагреву при облучении) на структуру холоднодеформированных сплавов 1441 и
ВД1...................................................150
Выводы.......................................................154
3. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ТЕКСТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ДЕФОРМАЦИИ
ПРОКАТКОЙ, ОТЖИГА И ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ 161
Выводы.......................................................175
5. ИНИЦИИРУЕМЫЕ ИМПУЛЬСНЫМИ МОЩНЫМИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ 1441 И ВД1........................................175
5.1. Сплав 1441...........................................178
5.2. Сплав ВД1............................................183
Выводы..................................................... 187
6. ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМИ ПУЧКАМИ ИОНОВ Аг~ НА МИКРОСТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА 1960 (А1-гп-Мё-Си)
В РАЗЛИЧНОМ ИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ............................189
6.1. Результаты механических испытаний....................189
6.2. Результаты электронно-микроскопического исследования образцов алюминиевого сплава 1960, исходных и облученных непрерывными пучками ионов Аг+.............................196
6.2.1. Исходное горячедеформированное состояние........196
6.2.2. Исходное естественно состаренное состояние......204
6.2.3. Исходное искусственно состаренное состояние.....208
6.2.4. Основные выводы по результатам электронномикроскопического исследования.........................215
6.3. Влияние микроструктуры на механические характеристики
сплава 1960............................................216
Выводы.......................................................221
7. СПОСОБ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ............................226
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................237
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................241
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................245
ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................261
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время алюминий занимает первое место в мировом объеме производства цветных металлов и является основой широкого класса конструкционных материалов для различных отраслей современной техники. Это касается аэрокосмической, атомной техники, кораблестроения, автомобилестроения, строительства, легкой промышленности, при этом роль алюминиевых сплавов в качестве конструкционных материалов постоянно возрастает [1,2].
В последние годы к сплавам на основе алюминия, используемым в аэрокосмической технике, предъявляются все более высокие требования. Это относится к их прочности (при условии сохранения достаточной пластичности), коррозионной стойкости, трещиностойкости, а также высокой стабильности свойств в процессе эксплуатации. Наряду с этим, стоит вопрос о существенном увеличении ресурсных характеристик изделий из алюминиевых сплавов. Жесткие требования предъявляются к уровню производственных затрат и экологической чистоте производства алюминиевых полуфабрикатов [1].
По этой причине, помимо усовершенствования хорошо известных методов обработки алюминиевых сплавов, в настоящее время все чаще предлагаются новые нетрадиционные методы модификации их свойств, такие как высокое статическое давление, закалка из жидкого состояния, ультразвуковая обработка [3]. Предпринимаются попытки использования концентрированных потоков энергии, включая потоки плазмы, СВЧ излучения, заряженных частиц (в частности, ускоренных ионов) [4-6].
Как показали исследования последних десятилетий, одним из наиболее перспективных направлений современной технологии обработки конструкционных материалов является использование пучков ускоренных ионов. Структурное состояние и физические свойства веществ, подвергнутых
5
ионно-лучевому воздействию, существенно отличаются от соответствующего состояния и свойств веществ после обычной термической обработки или других традиционных видов воздействия [7-9]. В ряде случаев удается получить уникальные электрические, магнитные и механические, трибологические, контактно-химические и др. свойства материалов [8, 9].
Наибольшее применение для этой цели получили ионные пучки с энергией ионов в диапазоне от нескольких единиц до нескольких десятков килоэлектронвольт (кэВ). Для этого диапазона энергий разработана достаточно компактная ускорительная техника [10, 11], в том числе технологические источники ионов с большим (100 см2 и более) сечением пучка [12].
К сожалению, пробеги ускоренных ионов вышеуказанных энергий в веществе измеряются всего лишь несколькими десятками или сотнями (для легких ионов) нанометров. Модифицируемая зона такой глубины (представляющая собой зону ионного легирования и образования радиационных дефектов) явно недостаточна для большинства технологических применений.
Использование ионов с энергиями от нескольких десятков до нескольких сотен МэВ [13-15], хотя и увеличивают зону воздействия до нескольких десятков (в некоторых случаях нескольких сотен) микрометров, но в то же время, приводит к неоправданному увеличению размеров и технической сложности ускорителей, а также к существенному удорожанию процесса [6]. Последнее относится и к попыткам совмещения различных способов нанесения покрытий с ионной бомбардировкой.
Благоприятным обстоятельством является то, что существует ряд эффектов, увеличивающих глубину воздействия пучков ускоренных ионов на вещество (в некоторых случаях многократно).
Так, радиационно-стимулированные (за счет образования точечных дефектов) и, одновременно, термостимулированные эффекты, в результате разогрева мишеней мощными непрерывными пучками ионов С и N низких
6
энергий (102-103 эВ) с высокой плотностью ионного тока (порядка 1-2 мАУсм ), обеспечивают увеличение глубины воздействия до нескольких десятков микрометров [ 16-21 ].
Эффекты в статических и медленно изменяющихся полях напряжений, формирующихся вблизи поверхности при высокодозной имплантации, вызывают зарождение и перемещение дислокаций также на глубину до нескольких десятков микрометров [6, 22-48].
И, наконец, обнаруженные в ИЭФ УрО РАН радиационно-динамические эффекты в метастабильных средах с высокой запасенной энергией могут инициировать структурно-фазовые превращения на субмиллиметровых и миллиметровых глубинах уже при дозах порядка 10,4-1015 см*2 [7-9, 49-61].
К метастабильным средам относятся пересыщенные твердые растворы и сильно деформированные материалы с повышенной запасенной энергией, что характерно для промышленных алюминиевых сплавов, особенно в закаленном и холоднодеформированном состояниях. Из теории радиационно-динамических эффектов [60] следует, что глубина воздействия на такие материалы может быть, как ограниченной, так и теоретически неограниченной, в зависимости от параметров процесса (интенсивности и характера радиационного воздействия и отклика среды).
Ионно-лучевая обработка не приводит к активации (наведенной радиоактивности) материалов и не предъявляет каких-либо других особых гребований в отношении безопасности. Она является абсолютно экологически чистым процессом и может быть легко воспринята производством.
В настоящей работе радиационно-динамические эффекты, связанные с генерацией и распространением в веществе послекаскадных ударных волн, совершающих на своем фронте структурно-фазовые превращения, были использованы для разработки радиационных методов модификации свойств промышленных алюминиевых сплавов.
7
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы являлась разработка радиационных методов модификации структуры и механических свойств полос и профилей круглого сечения из промышленных алюминиевых сплавов на основе исследований воздействия на них мощных пучков ускоренных ионов (с энергией в диапазоне 2* 104-2-105 эВ); получение многомерных экспериментальных зависимостей механических свойств: ав(Е,13), ао,г(Е,О), и 5(Е,О), от параметров облучения при изменении энергии ионов, плотности ионного тока и дозы облучения.
В соответствии со сформулированной целью были поставлены следующие основные задачи:
1. Провести цикл исследований воздействия пучков ускоренных ионов Аг^, а также 70% С' и 30% Ь-Г на структуру (дислокационную, субзеренную, зсренную, интерметаллидную) и механические свойства промышленных алюминиевых сплавов систем А1-\^, А1-1Л-Си-М£, А1-2п-М^-Си и А1-Си-Г^-Мп с учетом роли радиационно-динамических эффектов (при вариации энергии ионов, плотности ионного тока, дозы и температурных режимов облучения).
2. Использовать полученные данные для разработки методов модификации протяженных по глубине поверхностных слоев алюминиевых сплавов АМгб, 1441, ВД1 и 1960 пучками ускоренных ионов Аг+ (Е= 10-40 кэВ) (полос и профилей круглого сечения толщиной от I до 5 мм) с целью улучшения структуры и целенаправленного воздействия на их механические свойства.
3. Разработать основы промышленных технологий ускоренного (протекающего в течение 5 - 30 с) низкотемпературного радиационного рекристаллизационного отжига холоднодеформированных промышленных сплавов АМгб (А1-М§), 1441 (A1-Li-Cu-Mg), ВД1 (А1-СиЧ^-Мп) пучками ускоренных ионов аргона с целью снятия нагартовки (наклепа) и улучшения
8
их интерметаллидной структуры, взамен длительных (в течение нескольких часов) промежуточных печных отжигов между операциями прокатки.
4. Методом рентгеноструктурного анализа изучить текстурные преобразования (приводящие к частичному или полному устранению текстуры холодной прокатки) в ходе радиационного отжига сплавов АМгб, 1441, ВД1 под воздействием сильноточных пучков ионов Аг" (Е = 10-40 кэВ,
'у
) = 100-400 мкА/см ) в сравнении с результатами применения термического отжига.
5. Создать на основе разработок ИЭФ УрО РАН специализированный ионный имплантер для односторонней и двухсторонней (на встречных пучках ионов) обработки неподвижных и движущихся полос промышленных алюминиевых сплавов с целью проведения цикла фундаментальных и прикладных исследований и отработки основ технологий модификации свойств алюминиевых полуфабрикатов.
6. Получить для подвергаемых радиационному отжигу пучками ионов Аг+ максимально нагартованных алюминиевых сплавов АМгб, 1441 и ВД1 экспериментальные зависимости предела прочности ств, предела текучести ао,2 и относительного удлинения 5 от энергии Е (кэВ), плотности ионного тока ) (мкА/см ) и дозы облучения О (см' ). Получить, с использованием методов регрессионного анализа, многомерные аналитические зависимости (уравнения регрессии): св(Е,), О), а0д(Е,), О), и 5(Е, О), необходимые для определения оптимальных режимов ионно-лучевой обработки и использования в конструкторских расчетах.
7. Изучить закономерности воздействия сильноточных пучков ионов аргона на структуру и механические свойства сплава 1960 в закаленном, естественно и искусственно состаренном состояниях.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Подробно изучены закономерности воздействия пучков ускоренных ионов на структурно-фазовое состояние и механические свойства полос промышленных алюминиевых сплавов АМгб (АМУ^), 1441 (А1-1Л-Си-
9
Мв), ВД1 (А1-Си-М£) и 1960 (А1-2п-1^-Си) в зависимости от энергии ионов, плотности ионного тока, дозы и температурных режимов облучения. Тепловое воздействие ионного пучка моделировалось нагревом образцов в муфельной печи и в соляной ванне. Показано, что в отсутствие облучения эффекты изменения структуры и свойств сплавов не наблюдаются (при полном воспроизведении режима нагрева мишеней в ходе облучения).
2. Установлено, что воздействие пучков ускоренных ионов на
холоднодеформироваиные (е = 35-70%) сплавы АМгб, 1441 и ВД1 инициирует в них протекание процесса радиационного отжига,
многократно ускоренного по сравнению с печным отжигом. Радиационный отжиг протекает при пониженных (в некоторых случаях на 150-200 К) температурах во всем объеме полос толщиной 1-3 мм (при среднем проективном пробеге ионов Аг+ с энергией 40 кэВ в алюминиевых сплавах порядка 40 нм). Показано, что в ходе
радиационного отжига при облучении ионами Аг" протекают процессы:
- полигонизации с образованием субзерен (при дозах облучения 1015-1016 см'2, соответствующее время облучения при | = 400 мкА/см2 < 1-4 с);
- растворение (10,5см'2) и образование (10,6-1017 см'2) новых фаз;
- рекристаллизация и рост зерна (5* 1016-1017 см'2 и более).
3. Установлены экспериментальные зависимости предела прочности ов, предела текучести сТо;2 и относительного удлинения б исходно холоднодеформированных сплавов АМгб, 1441 и ВД1 от энергии ионов, плотности ионного тока и дозы облучения. С использованием методов регрессионного анализа получены соответствующие аналитические зависимости ав(Е, ], Э), аод(Е, ], Э), и 6(Е, ), 13) для исходно холоднодеформированных сплавов этих марок.
4. Установлено, что облучение холоднодеформированных сплавов 1441 и ВД1 единичным импульсом и в импульсно-периодическом режиме пучком
10
ионов 70% С+ и 30% РГ (Е = 180 кэВ, тимп=80 и 180 не) вызывает заметную трансформацию ячеистой дислокационной структуры в границах ячеек и образование дисперсных субзерен на глубине, более, чем в 104 раз, превышающей проективные пробеги ионов С и Н+ с энергией 180 кэВ в этих сплавах, что объясняется воздействием как послекаскадных ударных, так и термоупругих волн. Интенсивность воздействия возрастает при увеличении плотности тока в импульсе от 100 до 200 А/см2.
5. Эффекты нетсплового радиационио-дипамического воздействия пучков
ионов аргона при тех же самых значениях энергии ионов, плотностях
ионного тока и дозах облучения полностью воспроизведены на
движущихся полосах сплава АМгб.
* * *
Работа «Модификация структуры прокатки ионным облучением без печного отжига», выполненная с участием автора диссертационной работы, была признана на сессии Научного Совета РАН по проблеме «Радиационная физика твердого тела» (г. Дубна, ноябрь 2007 г.) важнейшим достижением в этой области за 2007 год.
Практическая значимость.
1. Изучены закономерности воздействия пучков ускоренных ионов на холоднодеформированные промышленные сплавы АМгб (A1-Mg), 1441 (А1-Li-Cu-Mg), ВД1 (Л1-Cu-Mg-Mn), а также на сплав 1960 (A1-Zn-Mg-Cu) в закаленном, естественно и искусственно состаренном состояниях. В итоге получена принципиально новая информация, позволяющая прогнозировать изменение свойств алюминиевых сплавов в условиях ионного облучения. Установленные закономерности структурно-фазовых превращений, инициируемых ионно-лучевым воздействием (на глубине до нескольких мм при проективных пробегах ионов средних энергий в алюминии, составляющих несколько десятков нм), составляют основу для создания
11
новых уникальных технологий обработки материалов пучками ускоренных ионов.
2. Установлен факт повышения пластичности
холоднодеформированных алюминиевых сплавов АМгб, 1441 и ВД1 под воздействием ионов Аг' с энергией 20-40 кэВ, вследствие протекания в них ускоренных (по сравнению с обычным отжигом) процессов полигонизации и рекристаллизации. Изучены закономерности протекания наблюдаемых процессов в зависимости от параметров облучения.
3. Предложен способ кратковременной (от нескольких секунд до нескольких десятков секунд) обработки промышленных алюминиевых сплавов систем А1-М§, АЫл-Си-М^ и А1-Си-М§-Мп пучками ускоренных ионов Аг* с энергией 20-40 кэВ (радиационный отжиг) взамен длительного (в течение 2 ч) промежуточного печного отжига при повышенных температурах (320-400°С).
Способ позволяет:
- улучшить структуру листового проката за счет растворения грубых интерметалл и дов кристаллизационного происхождения;
- исключить из технологии холодной прокатки операции транспортировки рулонов (пакетов) листового проката в термические печи (и обратно) и длительной выдержки в печах с целью снятия иагартовки для восстановления пластичности;
- уменьшить на 1-2 порядка длительность отжига и энергоемкость процесса - в 2-3 раза.
4. Показано, что облучение ускоренными ионами Аг+ способствует улучшению структуры горячедеформированного сплава 1960: формированию более совершенной и равномерной субзерен ной структуры по сравнению со структурой, наблюдаемой в исходном состоянии, и вызывает при определенных параметрах облучения, растворение образовавшихся при кристаллизации грубых интерметалл и дов А17Си2Ре и А18Ре251 и прослоек избыточных фаз по границам зерен. Сказанное, а также то, что облучение
12
инициирует распад пересыщенного твердого раствора в деформированном сплаве, имеет важное практическое значение для модификации структуры и улучшения служебных характеристик этого сплава.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аномально глубокое воздействие (по всей глубине профилей толщиной до 3-5 мм) на структуру и свойства холодподеформировапных промышленных алюминиевых сплавов АМгб, ВД1, 1441 и 1960 (при пробегах ускоренных ионов, составляющих доли мкм) достигается за счет облучения непрерывными пучками ионов Аг4 (Е~20-40 кэВ, О=1015-5-1017см'2) при существенно повышенных значениях плотности ионного тока: 3=100-500 мкА/см2.
2. Определены параметры ионно-лучевой обработки, при которых происходят изменения структуры и механических свойств исследуемых сплавов. Рассчитаны многомерные аналитические зависимости (уравнения регрессии): ав=ац(Е,],0), ао.2=^(Е,3,0), 5=б(Е,),0), позволяющие задавать режимы ионно-лучевой обработки, обеспечивающие получение регламентированных свойств сплавов АМгб, ВД1 и 1441.
3. В ходе облучения непрерывными пучками ионов аргона холоднодеформированных алюминиевых сплавов АМгб, ВД1 и 1441 (в виде полос толщиной 1-3 мм) протекают процессы:
- полигопизации с образованием субзерен (при дозах 1015-1016 см'2, соответствующее время облучения ~1-10 с),
- растворения (1015 см’2) и образования (1016-1017 см’2)
интерметаллидных фаз,
- рекристаллизации и роста зерна (5• 1016-3• 1017 см’2).
- постепенного устранения кристаллографической текстуры прокатки, начиная с дозы 2,5-1015 см'2.
4. При ионно-лучевой обработке с вышеуказанными параметрами происходит радиационный отжиг холоднодеформированных алюминиевых
13
сплавов, имеющий нетермическую природу. Он протекает при значительно более низких, на 150-200°С температурах. Продолжительность процесса уменьшается до 1-100 с по сравнению с 2-6 ч для термического отжига.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась
использованием современных методов и методик исследования, строгим контролем условий всех экспериментов, включая мониторинг температурного режима в ходе облучения, а также многократным воспроизведением экспериментальных данных в независимых экспериментах. Анализ микроструктуры методами металлографии и электронной микроскопии осуществлялся как в продольном, так и поперечном сечениях образцов. Исследования состояния текстуры после обработки пучками ускоренных ионов проводились как с облученной, так и с необлученной сторон полос металла.
Всего, с учетом вариации энергии ионов, плотности ионного тока и дозы облучения, а также проведения экспериментов с перемещением образцов и использованием встречных пучков ионов, для каждого из изученных сплавов было применено от нескольких десятков до нескольких сотен режимов облучения.
Планирование эксперимента и статистическая обработка данных с целью получения зависимостей свойств от параметров облучения: ав(Е,О), а0,2(Е, ], В) и 5(Е, ], Б) осуществлялись с использованием методов регрессионного анализа.
Личный вклад соискателя. Настоящую работу автор выполнял, работая вначале на ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», а затем являясь сотрудником Института электрофизики УрО РАН. Он лично определял направления фундаментальных и поисковых исследований, осуществлял подбор сплавов и конкретных видов алюминиевых полуфабрикатов, продукции ОАО «КУМЗ», для изучения воздействия на них пучков ускоренных ионов. Он обеспечивал применение необходимых
14
режимов термомеханической обработки и проведение испытаний механических свойств сплавов на ОАО «КУМЗ» до и после облучения пучками ионов. Инициировал разработку и принял непосредственное участие в подготовке технического задания на создание специализированного ионного имплантера ИЛМ-1 для обработки движущихся полос алюминиевых сплавов, а также их двухсторонней обработки на встречных пучках ионов.
Непосредственно участвовал в подборе режимов ионно-лучевой обработки алюминиевых сплавов, обеспечивающих оптимальный эффект модификации их свойств, при сведении к минимуму тепловой составляющей воздействия. Осуществлял ионно-лучевую обработку партий образцов. Им спланированы и проведены эксперименты, имитирующие разогрев мишеней ионным пучком, при отсутствии облучения, что позволило выделить в чистом виде эффекты радиационно-динамического воздействия пучков ускоренных ионов.
В итоге это дало возможность предложить способ ускоренного низкотемпературного радиационного отжига алюминиевых сплавов (получен патент РФ).
Автор диссертационной работы принимал участие в термической обработке, проведении металлографического анализа образцов, получении микрокартин и анализе электронно-микроскопических изображений исходных и облученных материалов.
Диссертант принимал личное участие в анализе результатов всех проведенных исследований, написании научных статей и подготовке докладов для научных конференций.
Апробация работы. Все основные результаты, приведенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на следующих Международных и Российских конференциях и семинарах: XVI, XVII, XVIII, XIX, XX Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); 31th Conference of the DOE, Deutsche Gesellschaft für Elektronenmikroskopie (Dresden, 2003); XII
15
Международной конференции по радиационной физике и химии
неорганических материалов РФХ-12 (Томск, 2003); 7th, 9th 10Ih International
Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows
(Томск, 2004, 2008, 2010); III, IV, V Российских научно-технических
%
конференциях «Физические свойства металлов и сплавов», (Екатеринбург, 2005, 2007, 2009); II Международной школе «Физическое
материаловедение», (Тольятти, 2006); V, VII, VIII и IX Международных Уральских семинарах «Радиационная физика металлов и сплавов» (Снежинск, 2003, 2007, 2009, 2011); V, VI и VII Международных научных конференциях “Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах” (Томск, 2006, 2008, 2010); XIX Уральской школе метал ловедов-терм истов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2008).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 35 научных работах, среди которых: 1 патент РФ, 12 статей в рекомендуемых ВАК РФ рецензируемых журналах и 22 статьи в сборниках трудов и материалов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации - 280 страниц, включая 121 рисунок, 30 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 140 наименований.
16
1. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
1.1. Влияние ионного облучения на структуру и свойства алюминия и его сплавов
Роль алюминиевых сплавов в качестве конструкционных материалов современной техники постоянно возрастает, это касается практически всех отраслей промышленности, в том числе направлений, связанных с развитием энергосберегающих и других наукоемких технологий, а также решением экологических проблем [1, 2]. В последнее время, кроме высоких требований к статической прочности, коррозионной стойкости, трещиностойкости, высокой стабильности свойств алюминиевых сплавов, жесткие требования предъявляются к стоимости полуфабрикатов, а также к уровню производственных затрат [1]. Это стимулирует разработку принципиально новых алюминиевых сплавов и технологий их обработки.
Для улучшения физико-механических свойств сплавов на основе алюминия помимо хорошо известных методов, таких как пластическая деформация, термическая и тсрмомсханичсская обработка, все чаще предлагаются новые нетрадиционные методы внешнего воздействия. Некоторые виды воздействия позволяют влиять на распад пересыщенного твердого раствора, формировать особую дефектную структуру, состояние межфазных границ и т.д. Это может быть высокое статическое давление, закалка из жидкого состояния, ультразвуковая деформация [3] или использование концентрированных потоков энергии, включая потоки плазмы, СВЧ-излучения, пучков заряженных частиц (в частности, ионных пучков) [4-6, 11, 50, 62].
Как показали исследования последних десятилетий, использование ионных пучков является одним из наиболее перспективных направлений
17
современной технологии обработки материалов. Структурное состояние и физические свойства веществ, подвергнутых ионно-лучевому воздействию, существенно отличаются от соответствующего состояния и свойств веществ после обычной термической обработки или других традиционных видов воздействия [7-8, 50].
В последнее время все чаще появляются примеры успешного использования пучков ускоренных ионов в технологических процессах с цслыо модификации электрических, магнитных, механических, контактнохимических и других свойств материалов [6, 16, 18, 49, 52, 57, 60, 63-66].
Разработан и успешно эксплуатируется на предприятиях ряд технологических ионных источников [12, 67-76], способных формировать ионные пучки различных химических элементов с энергиями от нескольких единиц до нескольких десятков кэВ. Ионно-лучевые технологии позволяют значительно понизить температуру технологических процессов и повысить производительность обработки. При этом энергетические затраты на проведение ионно-лучевой обработки при высокой ее эффективности, зачастую оказываются значительно меньшими, чем в случае использования традиционных видов обработки.
Так на Уральском заводе гражданской авиации (г. Екатеринбург) успешно применяется разработанный совместно с ИЭФ УрО РАН метод нанесения эрозионно-стойких покрытий на лопатки компрессора газотурбинных двигателей из титановых сплавов с ионно-лучевым сопровождением, который позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики этих двигателей.
Предложен способ обработки ионными пучками (Е = 20 кэВ) магнитомягких электротехнических материалов (аморфных лент и трансформаторных сталей), позволяющий снизить потери на перемагничивание в этих материалах на низких, средних и высоких частотах (от 50 до 10000 Гц) на 5-20 % [77].
18
Разработан способ обработки ускоренными ионами азота (Ы^+М+) дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок из циркониевых сплавов, приводящий к существенному повышению их коррозионной стойкости [78]. Такой способ обработки планируется для внедрения на предприятиях атомной промышленности.
В данном разделе рассмотрены экспериментальные данные из научнопериодической литературы о воздействии ионных пучков на физикомеханические свойства и структурно-фазовые превращения в алюминии и его сплавах.
Значительная часть исследований по влиянию ионного облучения на структурно-фазовое состояние и свойства алюминия связана с имплантацией таких нерастворимых в нем элементов, как кислород [79-82], азот [83-87] и углерод [87-89]. Ионному синтезу фаз внедрения посвящено большое количество работ, ссылки на которые можно найти в [5, 11 62]. Интерес к данному вопросу имеет не только научный, но и прикладной характер. Это связано с тем, что фазы внедрения на основе переходных металлов и алюминия имеют высокую механическую прочность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, а также они, как правило, являются тугоплавкими. Так, например, синтез нитрида алюминия позволяет решить проблемы защиты и упрочнения приповерхностных слоев отражающих алюминиевых покрытий дифракционных решеток, которые являются основным элементом ряда оптических приборов.
Повышение твердости в 2-3 раза, связанное с образованием мелких оксидных выделений М§0 на глубине 0,5 мкм, наблюдалось в работе [79] при имплантации ионов кислорода (30 кэВ) в некоторые магнийсодержащие алюминиевые сплавы. Имплантация проводилась посредством плазменного источника с применением электронного циклотронного резонанса. В работе зарегисгрировано также увеличение модуля упругости облученных образцов. В результате облучения для алюминиевого сплава 6061 было получено самое
19
высокое, в 6 раз, повышение модуля упругости. Соответствующие показатели для сплавов 7075 и 2024 - 4,5 и 3 раза.
В работе [80] показано, что имплантация чистого алюминия (99,999%) ионами кислорода с энергией от 25 до 200 кэВ с последующими отжигами в течение 30 мин при 450 - 550 °С приводит к значительному упрочнению поверхности до 1600 МПа. Методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и резерфордовского обратного рассеяния (POP) установлено, что в имплантированной области наблюдается гомогенное распределение выделений у-А120з размером до 5 нм.
Авторами [83] установлено, что при плазменно-иммерсионной ионной имплантации при температурах до 500 °С наблюдается возрастание коррозионной стойкости и износостойкости алюминия. Связано это с образованием на поверхности алюминия тонкого (в несколько микрометров) нитридного слоя с высоким содержанием кислорода.
В работе [84] проведено исследование влияния имплантации ионов азота с энергией 40 кэВ в интервале доз 6* 1016 - 3,6* 1017 см'2 на структуру и микротвердость слоев А1 (толщиной ~ 450 нм). Методами ПЭМ и дифракции электронов высокой энергии (ДЭВЭ), а также измерений дозовых зависимостей микротвердости показано, что модифицированная поверхность алюминия состоит из двух слоев, существенно отличающихся структурой и прочностными характеристиками. Поверхностный слой содержит высокую концентрацию радиационных дефектов, имеет место вакансионное распухание. Во втором слое образуется композиционный материал - кермет, состоящий из частиц A1N, связанных между собой прослойками алюминия.
Образование A1N в А1 при имплантации N* с энергией 100 кэВ в диапазоне флюенсов ( 1 ^-20)* 1017 см'2 и интервале температур 25-300 °С исследовалось также в работе [85]. Обнаружено, что A1N образуется в приповерхностных слоях при температурах имплантации > 200 °С.
В [87] изучено структурно-фазовое состояние поверхностного слоя чистого алюминия марки А95 после имплантации в него ионов углерода С с
20
энергией 20 кэВ в диапазоне доз (0,4-М)* 10'7 см'2. Плотность ионного тока не
л
превышала 3 мкА/см . Температура образцов при облучении поддерживалась ниже 340 К. Методом ПЭМ установлено, что имплантация ионов С+ в
17 7
алюминий дозой 210 ' см' приводит к формированию кристаллических выделений карбида алюминия А14Сз в зоне проникновения ионов. Увеличение дозы имплантации ведет к уменьшению размера зерна алюминия.
Ряд работ [88-89] свидетельствует о том, что материалы с уникальными свойствами удается получить при последовательной имплантации ионов углерода и азота средних энергий, что позволяет синтезировать тройные соединения на основе материала мишени, имеющие ковалентные или частично ковалентные связи. Наличие в структуре алюминия соединений с сильными ковалентными связями обусловливает высокие прочностные, оптические и диэлектрические свойства создаваемых материалов.
Так в работе [89] выявлена тенденция к улучшению трибологических свойств алюминия, имплантированного ионами С' и ТГ. С ростом энергии и дозы имплантации микротвердость увеличивается, начальный коэффициент трения и ширина трека износа уменьшаются (то есть увеличивается износостойкость). Увеличение твердости и износостойкости авторы работы [90] объясняют увеличением объемной доли упрочняющих фаз -мелкокристаллических включений карбида и нитрида алюминия (5,0-1017 С+/см’2 + 3,3'Ю17 К7см'2), а также с формированием непрерывного слоя А1-Ы-С с ГПУ структурой нитрида алюминия (5,0-1017 С7см'2 + 6,5-1017 1\Г/см'2).
В ряде работ ионная имплантация используется для получения в поверхностном слое поликристалл ического алюминия наноразмерных включений, позволяющих существенно повысить твердость и износостойкость. Так в работе [90] при имплантации ионов бора с энергией 30 кэВ в интервале доз 6-1016 - 410,/ см'2 в алюминий (плотность ионного
л
тока ~ 10 мкА/см ) наблюдается увеличение микротвердости более чем в 2 раза и десятикратный эффект увеличения износостойкости, что связано с
21
синтезом борида алюминия а-А1В!2 в форме диспергированных в алюминиевой матрице наночастиц.
В работе [91] при последовательной имплантации ионов РЬ~ и Сё' в алюминий при 452 и 475 К, соответственно, в поверхностном слое до ~ 1 мкм получена микроструктура с высокой степенью гомогенности распределения наноразмерных (1-20 нм) включений (РЬ, Сс1).
Следует отметить, что во всех рассмотренных выше работах для получения более прочного и износостойкого поверхностного слоя (толщиной несколько мкм) в алюминии используются пучки ускоренных ионов средних энергий при низких плотностях ионного тока (от нескольких единиц до нескольких десятков мкА/см2).
Имеется работа [92], в которой для облучения алюминия и его сплавов используются мощные ионные пучки (МИН)' при повышенных температурах, что позволяет несколько увеличить модифицированный при облучении слой. Там же [92], установлено, что при облучении одиночными импульсами протон-углеродного пучка 70% С+ + 30% ЕГ (с энергией Е = 300 кэВ длительностью то = 50 не при плотности тока пучка ) < 150 А/см2) отожженных образцов сплава Д16АТ системы А1-Си-М§ приводит к увеличению микротвердости в поверхностном слое толщиной ~ 12 мкм.
К настоящему времени накоплен небольшой экспериментальный материал по модификации свойств промышленных алюминиевых сплавов с использованием высокоэнергетической ионной имплантации (ВЭИИ, Е > 10 МэВ) [13-15, 93-94]. Интерес к ней обусловлен новыми возможностями изменения физико-механических свойств металлов и сплавов, что связано с увеличенной толщиной ионно-модифицированного слоя, достигающей нескольких десятков микрометров. Особенно эффективно
' Имеются в виду мощные импульсные ионные пучки с длительностью импульса т < 10" с при мощности в импульсе до 107 Вт/см2. Физика воздействия таких пучков существенно отличается от обычной имплантации с использованием непрерывных пучков. Основное отличие заключается в быстром разогреве тонкого поверхностного слоя (порядка проективного пробега ионов) вплоть до его полного испарения (в этом случае собственно эффект имплантации, т.с. ионного легирования, будет отсутствовать). В то же время, при быстром разогреве поверхностного слоя и его испарения формируется мощная термоупругая волна, которая может оказывать сильное воздействие на структуру и свойства материалов.
22
использование высокоэнергетической имплантации для улучшения трибологических, коррозионных и прочностных свойств приповерхностных слоев материалов [13].
Характерной особенностью высокоэнергетической ионной имплантации является высокое энерговыделение в электронную подсистему, из-за чего в полупроводниках и диэлектриках происходит быстрый разогрев микроскопических объемов материала вокруг треков высокоэнергетических ионов, вплоть до Т > Тплавд с последующей сверхбыстрой закалкой, что способствует образованию дефектов, протеканию фазовых превращений и др. процессов [95]. В бездефектных металлах энергия, переданная в электронную подсистему, уносится из области трека, не успевая вызвать разогрев материала, вследствие большой длины свободного пробега электронов. Лишь в металлах с большим количеством дефектов и малой длиной свободного пробега электронов такой разогрев происходит [60].
Структурно-фазовые превращения и изменения прочностных свойств диспсрсионно-твердеющих алюминиевых сплавов Д16 и АК4, а также термически неуирочняемого сплава АМг2 в результате имплантации малых доз (1015 и 2,5- К)15 см*2) ионов неона с энергией 26,7 МэВ при температурах, близких к комнатной, изучались в работе [13]. Установлено, что на начальном этапе имплантации микротвердость всех сплавов уменьшается в результате формирования блочной структуры (Д16, АМг2) и рекристаллизационных процессов (АК4-1), индуцированных облучением. С увеличением дозы имплантации наблюдается упрочнение сплавов, обусловленное мелкодисперсными выделениями 0- и ст-фаз (Д16, АК4-1) и возрастанием угла разориентации блоков (АМг2). Как уже отмечалось, в работах [13-15, 93-94] речь идет об изменении структуры и свойств на глубине нескольких десятков микрометров, что сопоставимо с величиной пробега высокоэнергетических ионов.
В работе [14] показано, что при облучении сплава АМц системы А1-Мл ионами неона с энергией 26,7 МэВ дозами 1015 и 2,5-1015 см*2 (Т = 330 К) в
23
сплаве происходит изменение структуры: наблюдается увеличение угла разориентации субзерен вплоть до трансформации структуры в мелкозернистую в результате возникновения в поверхностных слоях напряжений, инициирующих скольжение дислокаций. При этом размеры и количество включений второй фазы А16Мп остаются прежними.
В работе [15] установлено, что в изменении свойств стареющего сплава системы А1-Си-М^ (Д16) под действием облучения ионами криптона с энергией 245 МэВ существенную роль играет исходное структурно-фазового состояние сплава (закаленное, естественно или искусственно состаренное).
В работах [93, 94] проведено исследование влияния имплантации малых
1 / л
доз (~ 10 н см'") высокоэнергетических ионов криптона (Е = 245 МэВ) при комнатной температуре на микротвердость дисперсионно твердеющих алюминиевых сплавов Д16 и А1 - 4 мас.% Си в зависимости от их исходного структурно-фазового состояния.
Обнаружено, что микротвсрдость сплава Д16, содержащего зоны ГП,
после имплантации изменяется немонотонно. После облучения дозой
12 2
5*10“ см' ее значение уменьшается, что обусловлено стимулированными имплантацией процессами растворения зон ГП в результате замещающих столкновений. Последующее увеличение микротвердости после облучения дозой 3-1014 см'2 связано с радиационно-стимулированными процессами старения, приводящими к образованию новых зон ГП либо высокодисперсных включений промежуточных фаз. Микротвердость этого сплава, содержащего равновесные включения упрочняющих фаз, после имплантации монотонно увеличиваются с ростом дозы имплантации, что объясняется частичным растворением исходных включений с увеличением их дисперсности и, следовательно, ростом величины микронапряжений в кристаллической решетке матрицы сплава.
Аналогичные результаты получены на модельном сплаве А1 - 4 мас.% Си [94]. Микротвердость искусственно состаренного сплава, содержащего крупные включения 0-фазы со средним размером ~ 4 мкм в результате
24
облучения монотонного увеличивается. Поскольку при имплантации наблюдается частичное радиационно-стимулированное растворение включений 0-фазы в результате динамических перестроек при развитии каскада атомных смещений во включении, то пересыщение твердого раствора атомами меди при этом возрастает и способствует развитию процессов старения с образованием мелкодисперсных упрочняющих фаз. Наличие полей упругих напряжений вокруг формирующихся частиц и приводит к увеличению микротвердости сплава.
Подчеркнем еще раз, что наблюдаемые в [13, 14, 93, 94] структурнофазовые изменения происходят на глубине, соизмеримой с длиной проективного пробега ионов (~ 12 мкм).
Особенности изменения структуры и свойств алюминиевых сплавов при высокоэнергетическом облучении авторы [13] объясняют электронным торможением высокоэнергетических ионов, дающим основной вклад в генерацию дефектов кристаллической решетки, повышенная концентрация которых способствует диффузионным процессам при переползании дислокаций и выделении упрочняющих фаз.
Как было показано выше, применение метода ионной имплантации в области модификации свойств алюминиевых сплавов, имеет большие возможности. Наибольшее применение для этой цели получили ионные пучки с энергией ионов в диапазоне от нескольких единиц до нескольких десятков килоэлектронвольт (кэВ). Для этого диапазона энергий разработана достаточно компактная ускорительная техника, в том числе технологические источники ионов с большим (100 см2 и более) сечением пучка [12].
К сожалению, пробеги ускоренных ионов вышеуказанных энергий в веществе измеряются всего лишь несколькими десятками или сотнями (для легких ионов) нанометров. Модифицируемая зона такой глубины (представляющая собой зону ионного легирования и образования радиационных дефектов) явно недостаточна для большинства технологических применений.
25
Использование ионов с энергиями от нескольких десятков до нескольких сотен МэВ, хотя и увеличивает зону воздействия до нескольких десятков (в некоторых случаях нескольких сотен) микрометров, но связано с неоправданным увеличением размеров и технической сложности ускорителей, а также существенным удорожанием процесса. Последнее относится и к попыткам совмещения различных способов нанесения покрытий с ионной бомбардировкой.
Благоприятным обстоятельством является существование ряда эффектов, увеличивающих глубину воздействия пучков ускоренных ионов на вещество, в некоторых случаях многократно.
Так, радиационно-стимулированные (за счет образования точечных дефектов) и, одновременно, термостимулированные эффекты при разофеве мишеней мощными непрерывными пучками ионов В, С и N низких энергий (102-1(Т эВ) с высокой плотностью ионного тока (порядка 1-2 мА/см2) обеспечивают увеличение глубины воздействия до нескольких десятков микрометров.
Эффекты в статических и медленно изменяющихся полях напряжений, формирующихся вблизи поверхности при высокодозной имплантации, вызывают зарождение и перемещение дислокаций на глубину до нескольких десятков микрометров.
И, наконец, обнаруженные в ИЭФ УрО РАН радиационно-динамические эффекты в метастабильных средах с высокой запасенной энергией могут инициировать структурно-фазовые превращения на субмиллиметровых и миллиметровых глубинах уже при малых дозах облучения, порядка 10|4-1015 см'2.
К метастабильным средам относятся пересыщенные твердые растворы и сильно деформированные материалы с повышенной запасенной энергией, что характерно для промышленных алюминиевых сплавов в закаленном и холоднодеформированном состояниях. Из теории радиационно-динамических эффектов следует, что глубина воздействия на такие
26
- Київ+380960830922