Автореферат (1103729), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При этом толщина покрытий варьировалась в интервалезначений 0,6-2,2 мкм, с точностью ~5%. Для лучшей адгезии перед напылениемна этой же установке подложка подвергалась травлению ионами аргона в единомвакуумном цикле.Использовались два режима термических отжигов - последовательныеизотермические отжиги при температурах 600, 650, 710 и 720°C в интервале от0.5 до 190ч и последовательные изохронные отжиги в интервале температур300÷900°C с временем каждого отжига 5 часов.
Отжиги проводились в вакууме5⋅10-6 мм.рт.ст. Время выхода на заданную температуру ~30 минут, остываниеобразцов происходило вместе с печью.-9Мессбауэровские спектры снимались при комнатной температуре двумяметодами: регистрацией γ-квантов в геометрии на прохождение (МС-спектры) ирегистрацией электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния с обеихсторон образца (КЭМС-спектры). Рентгенофазовый анализ проводился надифрактометрах ДРОН-2 и D8 ADVANCE с использованием Cu-Kα излучения.Обработка экспериментальных мессбауэровских спектров проводиласьметодом восстановления функций распределения сверхтонких параметровпарциальныхспектровспомощьюпрограммыDISTRI,входящейвпрограммный комплекс MSTools.В третьей главе представлены результаты мессбауэровских исследованийтермически индуцированных процессов диффузии и фазообразования вслоистых системах Fe-Be, Fe-Al и Fe-Al-Be.Вначалекаждогопараграфаприведеныэкспериментальныемессбауэровские спектры, которые в общем случае представляют собойсовокупность парциальных спектров магнитоупорядоченного и парамагнитноготипов с явно уширенными резонансными линиями (см.
рис.1).N,%450300150Be(0.6мкм)-Fe(11мкм), Тотж=650oCКЭМС, Be-сторонаtотж=1чN,%98Al(2.2мкм)-Fe(10мкм), Тотж=600oCМСtотж=1ч938845030015015ч9820ч942101407060ч99190ч96-9-6-303v,мм/с69-9-6-303v,мм/c6Рис.1. Характерные МС-спектры и КЭМС спектры ядер 57Fe длядвухслойных систем Be(0,6мкм)-Fe(11мкм) и Al(2,2мкм)-Fe(10мкм) послесоответствующих последовательных изотермических отжигов при температурах650°С и 600°С, соответственно.9- 10 При этом внешние компоненты парциальных спектров уширены иасимметричны сильнее, чем средние, а средние - сильнее, чем внутренние.Отмеченные особенности спектров позволили сделать вывод о том, что каждыйизнаблюдаемыхпарциальныхспектровсостоитизбольшогочислазеемановских секстетов, либо квадрупольных дублетов с близкими значениямисверхтонких параметров спектра.
В связи с этим обработка и анализ всехспектровпроводиласьметодомвосстановленияфункцийраспределениясверхтонких параметров парциальных спектров. Анализ восстановленныхфункцийраспределенияинтенсивностейипозволилпараметровполучитьсверхтонкихзначенияотносительныхвзаимодействийдлявсехпарциальных спектров исследуемых систем.
Значения сверхтонких параметровпарциальных спектров - сдвиг мёссбауэровской линии δ, квадрупольноесмещение ε, эффективное магнитное поле в области расположения ядра H n ,позволили идентифицировать парциальные спектры.А) Слоистые системы железо-бериллийПри исследовании слоистых систем Fe-Be использовались двухслойныесистемы Be(0,6мкм)-Fe(11мкм) и Be(1,2мкм)-Fe(11мкм), в которых средняяконцентрация бериллия не превосходила предел растворимости в матрице α-Fe итрехслойная система Be(1,0мкм)-Fe(11мкм)-Be(1,2мкм), в которой средняяконцентрация бериллия превосходила предел растворимости в α-Fe.В результате обработки и анализа парциальных МС- и КЭМС-спектров,полученных для двухслойных систем Fe-Be, выявлено, что при малых временахотжига в приповерхностном слое со стороны покрытия наблюдается в основномβ-бериллид FeBe2+δ (относительное содержание которого в приповерхностномслое при tотж=0,5ч составляет ~93% в атомных единицах железа (рис.
2), а повсему объему образца ~12%). Однако, с увеличением времени изотермическогоотжига происходит полное растворение β-бериллида в матрице α-Fe, схарактерными временами τ представленными в таблице.- 11 Слоистая системаTотж,°СBe(0,6мкм)-Fe(11мкм)MCКЭМС650~3028,9±2,1Be(0,6мкм)-Fe(11мкм)7101,9±0,31,6±0,3Be(1,2мкм)-Fe(11мкм)7206,2±0,45,3±0,3Be(0.6мкм)-Fe(11мкм)Tотж=710oCI,%10060КЭМСBe-сторона406024tотж,ч68КЭМС- A-сторона- B-сторона40τ=1.4±0.3ч20FeBe2+δ0FeBe2+δ80τ=1.6±0.3ч20Be(1.0мкм)-Fe(11мкм)-Be(1.2мкм)Тотж=720oCI,%100α-Fe(Be)800τ,чα-Fe(Be)00101020tотж,ч3040Рис.2. Относительные интенсивности I парциальных КЭМС-спектров,снятых со стороны бериллиевого покрытия, для слоистых систем Be(0,6мкм)Fe(11мкм) и Be(1,0мкм)-Fe(11мкм)- Be(1,2мкм) в зависимости от длительностипоследовательного изотермического отжига при температурах Tотж=710°С и720°С, соответственно.Характерные времена τ процессов фазовых превращений в слоистыхсистемах Fe-Be, Fe-Al и термической стабилизации в слоистой системе Fe-Beопределялись с помощью кинетического уравнения, описывающего изменениеотносительной интенсивности I парциального спектра со временем отжига tотж:⎛⎧⎪ ⎛ tI( t отж ) = (100 − A ) ⋅ ⎜1 − exp ⎨− ⎜⎜ отж⎜⎪⎩ ⎝ τ1⎝⎞⎟⎟⎠n1⎛⎧⎫⎪ ⎞⎟ + A ⋅ ⎜1 − exp⎪− ⎛⎜ t отж⎨ ⎜⎬⎟⎜⎪⎩ ⎝ τ 2⎪⎭ ⎠⎝⎞⎟⎟⎠n2⎫⎪ ⎞⎟⎬⎟ .⎪⎭ ⎠(1)Здесь A, τ1, τ2, n1 и n2 – варьируемые параметры, причем τ1 и τ2 - характерныевремена в общем сторон двух одновременно происходящих термическииндуцированных процессов.В трехслойной системе Be(1,0мкм)-Fe(11мкм)-Be(1,2мкм) с увеличениемвремени изотермического отжига при температуре Tотж=720°С наблюдалсяпроцесс термической стабилизации фаз, в результате которого прекращаются все- 12 процессы диффузии и фазообразования по всему объему образца.
При этом наповерхности фаза FeBe2+δ составляет примерно ~80ат.% Fe, а по всему объемуобразца ~10% (рис. 2). Характерное время этого процесса по данным МС tотж=1,2±0,3ч, а по данным КЭМС - tотж=1,4±0,3ч.Полный распад β-бериллида FeBe2+δ и термическую стабилизацию фаз вприповерхностных слоях исследованных двух- и трехслойной систем Fe-Beподтвердили проведенные рентгенофазовые исследования.Б) Слоистые системы железо-алюминийПри исследовании слоистых систем Fe-Al использовалась двухслойнаясистема Al(2,2мкм)-Fe(10мкм), подвергнутая изотермическому отжигу притемпературе Tотж=600°С со временем отжига tотж в интервале от 1ч до 190ч.В результате обработки и анализа МС- и КЭМС-спектров ядерэтойсистемыивсоответствииспринятой57Fe длякристаллохимическойидентификацией парциальных спектров установлено, что в начале отжига, приtотж<10ч, сохраняется слой чистого Al на поверхности α-Fe, при этом происходитобразование высоких алюминидов FeAlx, превращение FeAlx в фазу Fe3Al и фазыFe3Al в раствор алюминия в железе α-Fe(Al) в соответствии с фазовойдиаграммой (характерное время этих процессов τ1=5.4±0.4ч) (рис.
3а). Винтервале от 10ч до 40ч в приповерхностном слое образца чистый Al и высокиеалюминиды полностью растворяются в железе и наблюдается процесс фазовогопреобразования Fe3Al в раствор α-Fe(Al), с увеличением концентрации Al врастворе. После 40ч отжига происходит только процесс выравниванияконцентрации Al в растворе α-Fe(Al) по глубине образца (τ2=122±8ч) (рис. 3а).Полученные значения среднего эффективного магнитного поля H n истандартного отклонения Sp ( Hn)для магнитоупорядоченной части парциальныхМС- и КЭМС-спектров показали свое коррелированное изменение со временемизотермического отжига (рис. 3б).
При этом увеличению поля соответствуетуменьшение стандартного отклонения.- 13 Al(2.2мкм)-Fe(10мкм), Тотж=600oC−(а)I,%100Hn,кЭ330B8060МС4020270τ2=122±8ч240СA0−804080120tотж,ч16020060МС40210Sp(Hn)1800100Hn300τ1=5.4±0.4ч(б)Sp(Hn),кЭКЭМС, Fe-сторона12004020КЭМС, Fe-сторона80120tотж,ч1600200Рис.3.
Зависимости относительных интенсивностей I парциальныхмессбауэровских спектров A (для атомов Fe в (FeAlx)), B (для атомов Fe в Fe3Al иα-Fe(Al) с атомами алюминия в ближайшем окружении) и C (для атомов Fe в αFe(Al) без атомов алюминия в ближайшем окружении и чистом α-Fe) (а), а такжесреднего значения поля H n и стандартного отклонения Sp ( H ) функциираспределения p(Hn) эффективного магнитного поля Hn для парциальногоспектра B (б) от времени отжига tотж.nХорошеесоответствиезависимости дисперсии S2p ( Hn)практическилинейнойкорреляционнойфункции распределения p(Hn) и среднего значенияэффективного магнитного поля H n для КЭМС-спектров двухслойной системыFe-Al и расчетных данных (сплошная и штриховые линии), показало, чтоопределяющей причиной изменения среднего значения поля H n и дисперсииS2p ( Hn)со временем отжига tотж является изменение концентрации атомов Al вматрице α-Fe и что такое изменение можно использовать для определениясредней концентрации CAl (рис.
4а). Сплошная и штриховые линии на этомрисунке проведены в предположении, что сверхтонкое магнитное поле Hn наядре атома железа определяется в основном первой координационной сферой иаддитивно зависит от числа расположенных на них атомов Fe.С помощью указанного метода определены концентрации Al в растворе αFe(Al), которые подтвердили, что с увеличением времени изотермическогоотжига происходит увеличение концентрации алюминия со стороны железа иуменьшение ее со стороны покрытия (рис. 4б).
Эти две зависимости сходятсяпри tотж~170ч; после этого времени отжига практически прекращаются все- 14 процессы диффузии. На этом же рисунке приведены средние по объему образцаконцентрации Al, которые получены с использованием параметров функцийраспределения парциальных МС-спектров57Fe, принадлежащих раствору α-Fe(Al) и чистому α-Fe, при временах отжига tотж≥40ч, когда перестаютфиксироваться парциальные спектры алюминидов. Эти значения лежат междуданными, полученными в результате обработки КЭМС-спектров, практически неменяются со временем последовательного отжига и хорошо согласуются срасчетным значением средней концентрации атомов Al по всему объемуобразца, которое соответствует толщинам исходных слоев Al (2,2мкм) иFe (10мкм) в образце и достигается при полном растворении атомов Al вматрице α-Fe - C срAl =13,5±0,6%.(а)_Al(2.2мкм)-Fe(10мкм), Тотж=600oCCAlHn,кЭS2p(Hn),кЭ23300.183200.1631010000.143000.128002900.100.006000.07CAl0.080.064002000.14∆Hn= −35±3кЭ(б)- КЭМС Al-сторона- КЭМС Fe-сторона- МС0.040.020.0000310_ 320330Hn,кЭРис.4.
Корреляционнаязависимость3004080120tотж,чдисперсии160S2p ( H n )200функциираспределения p(Hn) от среднего значения эффективного магнитного поля H n наядрах 57Fe для раствора α-Fe(Al). В верхнем правом углу рисунка – взаимосвязьсреднего значения поля H n с концентрацией атомов Al в растворе α-Fe(Al) (а).Зависимость концентрации алюминия CAl в приповерхностных слоях и объемеслоистой системы от времени изотермического отжига, полученная с помощьюмессбауэровской спектроскопии (б).В) Слоистые системы железо-алюминий-бериллийДля исследования трехкомпонентных слоистых систем использоваласьдвухслойнаясистемаAl25%Be75%(2мкм)-Fe(10мкм),подвергнутая- 15 последовательному (tотж=5ч) изохронному отжигу в интервале от 300°С до 900°С.С помощью предложенного метода были определены концентрациипримесейвраствореα-Fe(Al,Be)вобъемеобразцаисследуемойтрехкомпонентной слоистой системы при различных температурах изохронногоотжига (рис.
5а). В интервале температур от 300 до 550°C концентрация атомовпримеси практически постоянна и не превышает 0.8%. Повышение температурыотжига от 600°C до 750°C привело к резкому увеличению концентрациипримесей в среднем по объему до предельного значения, соответствующегополному растворению атомов Al и Be ( C срAl,Be = C срAl + C срBe = 21.3 ± 1.5% ) в матрицеα-Fe. В интервале температур 800-900°C концентрация атомов примесипрактически не меняется.(а)CAl,Be0.3Al25%Be75%(2мкм)-Fe(10мкм)α-Fe(Al)α-Fe(Al,Be)=21,3±1,5%0.2α-Fe(Be)=17,9±1,5%0.1α-Fe(Al)=3,4±0,3%0I,%4002000(б)α-Fe(Al) α-Fe α-Fe(Be)←→16080080α-Fe(Be)40040200Tотж=20oC- Fe-сторона- Al,Be-сторона 600oC700oC900oC030060090064 64.5 65 65.5 66 66.5 67Тотж,оС2ϑ,градРис.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
