Диссертация (Нанопористые анодно-оксидные пленки на порошковом сплаве титан-алюминий)

Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования«Петрозаводский государственный университет»На правах рукописиСтепанова Кристина ВячеславовнаНАНОПОРИСТЫЕ АНОДНО-ОКСИДНЫЕ ПЛЕНКИ НАПОРОШКОВОМ СПЛАВЕ ТИТАН-АЛЮМИНИЙСпециальность 01.04.07 - физика конденсированного состоянияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наук,профессор Яковлева Н.М.Петрозаводск - 20162ОглавлениеСтр.Введение ...........................................................................................................................

4Глава 1. Наноструктурированные анодно-оксидные пленки на металлах исплавах ............................................................................................................................ 111.1. Сплавы системы Ti-Al ........................................................................................ 111.1.1. Общая характеристика Al, Ti и их сплавов ............................................... 111.1.2. Система Ti-Al: диаграмма состояния, структура интерметаллидов ....... 141.1.3. Система Ti-Al-О ........................................................................................... 161.1.4. Кристаллические модификации оксидов алюминия и титана.................

191.2. Самоорганизованные анодно-оксидные пленки на алюминии и титане ...... 241.2.1. Особенности формирования нанопористых пленок анодного оксидаалюминия................................................................................................................. 261.2.2. Анодные оксидные пленки на титане ........................................................ 351.2.3. Влияние термических воздействий на структуру трубчатых оксидовтитана .......................................................................................................................

421.3. Анодно-оксидные пленки на алюминидах титана .......................................... 481.4. Фотокаталитические свойства наноструктурированных оксидов титана .... 55Глава 2. Методика эксперимента и расчета ............................................................... 662.1.

Характеристики объектов исследования .......................................................... 662.2. Методы исследования ........................................................................................ 682.2.1. Микроскопическое исследование образцов .............................................. 682.2.2. Инфракрасная Фурье - спектроскопия ....................................................... 692.2.3. Рентгеноструктурный анализ ...................................................................... 702.2.4. Рентгеноэлектронная спектроскопия .........................................................

712.2.5. Оптическая спектроскопия.......................................................................... 712.2.6. Оценка каталитической активности ........................................................... 73Глава 3. Особенности роста анодных оксидных пленок на сплавеTi-40вес.%Al во фторсодержащих электролитах....................................................... 743Стр.3.1.

Особенности роста наноструктурированных оксидных пленок прианодировании сплава Ti-40вес.%Al во фторсодержащих электролитах ............. 743.2. Анодирование порошкового сплава Ti-40вес.%Al во фторсодержащихэлектролитах ............................................................................................................... 91Глава 4. Термически активированные структурные превращения внанопористых анодно-оксидных пленках на сплаве Ti-40вес.%Al ....................... 1064.1. Влияние отжига на воздухе на атомную и мезоскопическую структурунанопористых оксидных пленок на сплаве Ti-40вес.%Al ................................... 1074.2.

Влияние отжига в вакууме на атомную и мезоструктуру нанопористыхоксидных пленок на сплаве Ti-40вес.%Al............................................................. 1164.3. Электронные и фотокаталитические свойства анодно-оксидных пленокна сплаве Ti-40вес.%Al............................................................................................ 126Основные результаты и выводы ................................................................................

137Список сокращений .................................................................................................... 139Литература ................................................................................................................... 1404ВведениеАктуальность исследования. Самоорганизованные оксидные пленки сразличными морфологическими характеристиками: пористые и трубчатыесоздаются на поверхности целого ряда металлов (Ta, Nb, Al, Ti, W, Zr, Hf и др.) исплавов электрохимическим анодированием [1, 2].

Причиной формированиятаких структур является синергия процессов роста и растворения оксиднойпленки, реализующаяся под действием электрического поля. Исследованиематериалов данного класса является актуальным, как с фундаментальной точкизрения изучения процесса самоорганизации, так и благодаря огромному числу какуже реализованных, так и перспективных применений. Такой оксид состоит изтонкого барьерного слоя, прилегающего к металлу, и пористого в видесовокупностигексагональноупакованныхпор/трубок,металлической подложке. Изучение самоорганизованныхнормальныханодно-оксидныхпленок (АОП) целесообразно проводить на разных уровнях масштаба: атомном,исследуя взаимное расположение атомов, и так называемом «мезоскопическом»,характеризуя взаимное расположение отдельных структурных элементов (пор,трубок или ячеек).При анодировании алюминия в различных электролитах, в том числе ифторсодержащих, формируются самоорганизованные нанопористые оксидныепленки с диаметром пор и толщиной, задаваемыми условиями процесса.

Такиеоксиды широко используются в качестве шаблонов для синтеза различныхнаноматериалов, а также для ультрафильтрации [1]. Анодирование титана вэлектролитах, содержащих ионы фтора и хлора, приводит к росту на поверхностиоксидных пленок с самоорганизованной нанотрубчатой структурой.Исследованиеформированияоксидныхпленокприанодированииинтерметаллидов системы Ti-Al: TiAl, TiAl3, Ti3Al во фторсодержащем растворе10% H2SO4 + 0.15%HF [3, 4] показало, что в зависимости от соотношениякомпонент сплава и условий процесса возможно получение самоорганизованныхоксидовнанопористойилинанотрубчатоймезоструктурой.Так,для5формирования АОП пористого типа следует использовать сплавы Ti-Al ссодержанием Al более 19 вес.%.

Причем, образующаяся на поверхности TiAl(36 вес.%Al) пористая пленка состоит из оксидов Al2O3 и TiO2 в примерно равномсоотношении. Известно, что алюминид титана γ-TiAl (33 до 46 вес.% Al) обладаетжаропрочностью и жаростойкостью, сравнимой с никелевыми суперсплавами [5],а предварительное нанесение на поверхность защитных покрытий (вакуумнымнапылением, металлизацией и микродуговым оксидированием) увеличиваеттемпературный интервал эксплуатации до 1073-1173К [5]. Учитывая сложностьпредлагаемых технологий, разработка более простых методов нанесениязащитныхпокрытийявляетсяактуальнойпроблемойдляреализациивысокотемпературных применений γ-TiAl.Весьма перспективно использование образцов из спеченных порошков TiAl.Дальнейшая модификация поверхности микрочастиц порошка анодированием,приводящая к росту наноструктурированной оксидной пленки, должна увеличитьудельнуюповерхность,асоответственно,улучшитьбиосовместимость,каталитическую активность, а также жаростойкость и жаропрочность материала.Информации об анодировании порошковых алюминидов титана не обнаружено,поэтомуизучениезакономерностейростасамоорганизованныхнаноструктурированных АОП на порошковом TiAl является весьма актуальнойзадачей, поскольку открывает перспективы создания мультифункциональныхнаноматериалов.Известно, что нанокристаллический TiO2 обладает фотокаталитическойактивностью[2]поддействиемУФ-облучения(УФО).Приоритетнымнаправлением последних лет является поиск путей создания оксидов титана сфотокаталитической активностью не только в УФ, но и видимом, и дажеинфракрасномдиапазонеэлектромагнитногоизлучения[6].Посколькунанопористые оксидные пленки на TiAl включают наряду с Al2O3 и TiO2, товыполняемое впервые изучение процесса их кристаллизации может оказатьсяперспективнымнаноматериалов.дляполученияновыхкомпозитныхфотокаталитических6В соответствии с вышесказанным, актуальность изучения закономерностейформирования нанопористых оксидных пленок при анодировании алюминидатитана TiAl, их структуры на атомном и мезоскопическом уровнях ссопутствующейоценкойихфункциональныхсвойств,вособенностифотокаталитических, не подлежит сомнению.Цель работы заключалась в получении и исследовании нанопористыханодных оксидных пленок на порошковом сплаве Ti-40вес.%Al.Для достижения указанной цели были решены следующие основныезадачи:1.