Автореферат (1103956), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Известные экспериментальные данные (символы, соединенные линиями) и реFeTiзультаты моделирования (штриховые линии)для последовательных изотермических отжиговслоистой системы 57Fe(0.07 мкм)–5060Ti(1 мкм)–Fe0.96Ti0.04(13 мкм) –57Fe(0.07 мкм)при температуре Tann = 650°CЭкспериментальноα-Fe(Ti)установленные60методами MS- и CEMS-спектроскопии, а40также рентгеновской дифрактометрии по-20α-Ti(Fe)0010Fe2TiFeTiследовательности фазовых превращений иотносительное содержание интерметаллидов203040tann, ч5060вслоистойсистеме57Fe(0.07 мкм)–Ti(1 мкм)–Fe0.96Ti0.04(13 мкм)–57Fe(0.07 мкм) на всех этапах последовательного изотермического отжига показывают хорошее соответствие с результатами расчетов (рис.
9) в рамках предложенной нами модели для слоистых систем с тремя изотопами двух элементов.Для выявления роли напыленных слоев железа, обогащенных изотопом57Fe, напроцессы диффузии и фазообразования в исследуемой системе и их регистрацию с помощью методов мессбауэровской спектроскопии, было проведено дополнительное моделирование термически индуцированных процессов, протекающих в слоистой системеTi(1 мкм)–Fe0.96Ti0.04(13 мкм). При этом использовались та же фазовая диаграмма бинарнойсистемы Fe-Ti и те же парциальные коэффициенты диффузии.
Рассчитанные таким образом относительные интенсивности MS- и CEMS-спектров заметно отличались (особеннона начальных этапах отжига) от экспериментально определенных и расчетных относительных57интенсивностейдлясистемы57Fe(0.07 мкм).20Fe(0.07 мкм)–Ti(1 мкм)–Fe0.96Ti0.04(13 мкм)–В отличие от мессбауэровской спектроскопии для рентгеновской дифрактометриирасчетные зависимости практически повторили результаты, полученные для слоистой системы57Fe(0.07 мкм)–Ti(1 мкм)–Fe0.96Ti0.04(13 мкм)–57Fe(0.07 мкм), поскольку информацияв данном случае собирается со значительной части образца и в нем участвуют как атомыжелеза (вне зависимости от изотопного состава), так и атомы титана.C1Cphase β-Ti(Fe) FeTiFe2Ti1α-Ti(Fe)+β-Ti(Fe)0.8α-Fe(Ti)0.8β-Ti(Fe)+FeTiCTi0.60.40.60.2CFe57Fe2Ti+α-Fe(Ti)tann = 3.5 ч0.4FeTi+Fe2Ti0.2CFe5700110.80.80.60.60.40.40.20.200110.80.80.60.60.40.40.20.200110.80.80.60.60.40.40.20.20β-Ti(Fe)FeTi7.5 чα-Fe(Ti)Fe2TiFeTi16 чα-Fe(Ti)Fe2Ti60 чFeTi001231213140x, мкм12312x, мкм13Рис. 10.
Концентрационные профили атомов Ti (CTi), изотопа 57Fe (CFe57) и относительное содержание фаз (Cphase) по глубине слоистой системы 57Fe(0.07 мкм)–Ti(1 мкм)–Fe0.96Ti0.04(13 мкм)–57Fe(0.07 мкм) на различных этапах последовательного изотермического отжига2114Хорошее согласие на всех этапах изотермического отжига результатов расчета с экспериментальными данными, полученными с помощью методов мессбауэровской спектроскопии (MS иCEMS) и рентгеновской дифрактометрии, позволяет считать, что результаты расчетов и других физических величин, описывающих кинетику процессов диффузии и фазообразования, близки к реальным значениям. В частности, это концентрационные профили титана CTi(x), изотопа железа CFe57(x) и образующихся фаз Сphase(x) по глубине образца на всех этапах отжига притемпературе Tann = 650°C (см рис.
10).На рис. 10 видно, что на первых этапах отжига в приповерхностном слое образца состороны титанового покрытия образуются фазы β-Ti(Fe), FeTi и Fe2Ti. Затем фазаβ-Ti(Fe) исчезает и на поверхность выходит фаза FeTi, при этом в остальных частях образцаостаются только две фазы – интерметаллид Fe2Ti и раствор α-Fe(Ti). Заметим, что даннаясистема достигнет состояния термической стабилизации лишь при 154 ч отжига. В этомсостоянии слоистая система будет неоднородной по глубине – со стороны покрытия образуется в основном интерметаллид Fe2Ti, а со стороны подложки – насыщенный раствор αFe(Ti).Концентрационный профиль CTi(x) атомов титана по глубине образца на первыхэтапах отжига имеет максимум. После 7.5 ч отжига он становится монотонно убывающимпо глубине. К концу отжига концентрационная область титана значительно сокращается,при этом он не проникает в глубину образца более чем на 3 мкм.
Концентрационный профиль CFe57(x) изотопа57Fe на всех этапах отжига имеет максимальные значения с обеихсторон образца. С увеличением времени отжига этот профиль постепенно выравнивается.Имплантационная система 57Fe:O+. Предлагаемая нами модель процессов диффу-зии и фазообразования в системах металл-металлоид использовалась при моделированиипроцессов диффузии и фазообразования в имплантационной системе 57Fe:O+, которая былаполучена методами ионной имплантации ионов кислорода с энергией 50 кэВ и дозой5·1017 ион/см2 в приповерхностные слои фольги из α-железа толщиной 50 мкм, обогащенного до 95т.% 57Fe. Система подвергалась последовательным изохронным получасовымтермическим отжигам. После каждого отжига проводились исследования при комнатнойтемпературе методами CEMS-спектроскопии со стороны поверхности α-Fe, подвергнутойимплантации ионами кислорода [14–15].Начальный концентрационный профиль имплантированных в 57Fe ионов кислородаn O ( x, t ) t = 0 , использованный нами при моделировании, был получен в результате расчетапри помощи пакета программного обеспечения SRIM [16], предназначенного для моделирования процессов распыления и перемещения ионов в веществе при их имплантации.
При22моделировании нами было сделано допущение, что с обеих поверхностей слоистой системы в процессе имплантации и последующих термических отжигов не происходит заметнойпотери кислорода.I, %100При вычислении относительных интен-aсивностей парциальных CEMS-спектров эффек-80Fe3O4тивная глубина выхода электронов конверсии604020FeO0100200Fe–Ti–Fe(Ti)–57Fe для железа была взята равнойFe2O3057также как и в случае системыα-Fe3004005006007000.04 мкм. Эффективная глубина выхода электронов конверсии для кислорода принималасьзначительно большей.I, %100б80Fe3O460α-Fe4020Fe2O300100200300400500600700Рис. 11. Зависимости относительных интенсивностей I парциальных CEMS-спектров от температуры Tann последовательных изохронных отжигов: экспериментальные (а) и расчетные вслучае закалки (б) и отсутствия закалки (в) образца после отжигов для имплантационной системы 57Fe:O+ со стороны кислородаЗависимости относительных интенсивно-I, %100в80FeOFe3O4электронов конверсии образующихся фаз от60температуры последовательных получасовыхα-Fe40стей парциальных мессбауэровских спектровo20x, мкм1800.6Fe2O300100200300 400oTann, C500600700изохронных термических отжигов для им57получены в результате проведенного экс-0.2перимента и численных расчетов в рамках0.1предложенной физической модели, изо-α-Fe+FeOα-Fe+Fe3O4Fe2O3+O20Расчетные зависимости в случаепературах ниже Tann = 500°C хорошо соот-700FeO+Fe3O4Fe2O3+Fe3O40бражены на рис.
11.(рис. 11в) образца после отжигов при тем-600α-Fe0.40.3закалки (рис. 11б) и отсутствия закалки3000.5Fe:O+, которыеплантационной системыTann, C4005000.511.5tann, ч22.53Рис. 12. Координаты x межфазных границ взависимости от времени tann последовательных изохронных термических отжигов в имплантационной системе 57Fe:O+23ветствуют экспериментальным данным, а при температурах выше Tann = 500°C имеютсяразличия, обусловленные конечной скоростью остывания образца.Рассчитанные координаты границ однофазных областей образующихся фаз x с двухфазными областями в зависимости от времени изохронных отжигов tann представлены на рис.
12.Как видим, сразу после имплантации в образце кроме α-Fe присутствуют различные фазы– Fe3O4, Fe2O3 и O2, которые располагаются на глубинах не более 0.15 мкм. Первый отжигпри Tann = 180°C не приводит к заметным изменениям в фазовом составе.Во время следующего отжига при Tann = 300°C через ~0.15 ч (~0.65 ч от общего времени) пропадает фаза O2 и постепенно сужается двухфазная область Fe2O3 + Fe3O4. В начале отжига при Tann = 400°C пропадает фаза Fe2O3 и постепенно расширяется двухфазнаяобласть α-Fe + Fe3O4. Фаза FeO появляется в процессе отжига при Tann = 600°C и сохраняется до конца последовательных отжигов. При этом ее однофазная область исчезает менеечем через 0.05 ч (2.05 ч от общего времени отжига), а двухфазная область α-Fe + FeO постепенно расширяется.
В результате проведенных последовательных изохронных отжиговграница области проникновения кислорода в матрицу α-Fe перемещается вглубь образца ипри Tann = 700°C достигает глубины ~0.55 мкм.Основные результаты и выводы.1. Предложены физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с тремя изотопамидвух элементов и металл-металлоид. В основе физических моделей – линейная термодинамическая теория неравновесных процессов, механизм взаимной диффузии компонентовпо непрерывным каналам фаз в двухфазных областях системы и предположение о квазистационарном процессе фазообразования.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
