Перебіг фазових перетворень в тонкоплівковій системі Al/Ni при відпалі у вакуумі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра фізики металів

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни Електронна мікроскопія

на тему Перебіг фазових перетворень в тонкоплівковій системі Al/Ni при відпалі у вакуумі

Студента

Майбороди М.М.

Керівник

Котенко І.Є.

Київ 2016



ЗМІСТ

ВСТУП

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ

2.1 Об'єкт дослідження

2.2 Отримання зразків методом термічного випаровування

2.3 Будова та принцип дії електронографа

3. РОЗРАХУНОК ЕЛЕКТРОНОГРАМ

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА



ВСТУП

Однією з найважливіших характеристик речовини є її період кристалічної гратки. По періоду гратки речовини можна судити про утворення, концентрації и тип твердого розчину, про наявність залишкових напружень, визначати коефіцієнти термічного розширення та вирішувати інші металознавчі задачі.

Явище дифракції електронів дозволяє досліджувати параметри атомно-кристалічного стану речовини та визначати її фазовий склад. Будучи електрично зарядженими частками і маючи хвилеві властивості, електрони взаємодіють з електричним потенціалом атомів (іонів) речовини приблизно в мільйон разів сильніше, ніж рентгенівські промені. Тому зразками для спостереження дифракції електронів у режимі «на проходження» зазвичай є тонкі плівки металів, сплавів або хімічних сполук, товщина яких не перевищує 1000 Е, тому що за більших товщин чітка картина дифракції електронів не спостерігається.

В даній роботі проведено якісний фазовий аналіз електронограм системи Al/Ni. Проведено розшифровування знятої електронограми з подальшою обробкою результатів.

Метою даної роботи є визначення перебігу фазових перетворень в системі Al/Ni.



1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

За останні 30 років температура газу в газотурбінних двигунах збільшилася на 500 ° С. Близько 70% цього приросту досягнуто завдяки вдосконаленню повітряного охолодження турбінних лопаток і застосуванню теплозахисних керамічних покриттів, а 30% є результатом покращення службових властивостей жароміцних нікелевих сплавів (ЖНС) за рахунок створення нових сплавів, розробки прогресивних методів їх виплавки, а також отримання лопаток з монокристалічною структурою.

Було проведено аналіз розвитку ЖНС для лиття лопаток з спрямованої і монокристалічної структури з урахуванням особливостей їх легування і фазового складу. Зокрема, показано, що звичайний спосіб підвищення механічних властивостей сплавів оптимізацією традиційного легуючого комплексу, який включає в себе: W, Ta, Mo, Cr, Co, Hf, Al, Ti та ін., в даний момент повністю вичерпаний. Тому сучасна тенденція розвитку ЖНС полягає в використанні дефіцитних елементів VII і VIII груп Періодичної системи, таких як: Re, Pt, Ru, Ir. Легування цими елементами істотно підвищує жароміцні і інші службові властивості ЖНС, але при цьому зростає щільність сплавів, збільшується ймовірність виділення шкідливих топологічно-щільнопакованих фаз і значно збільшує вартість сплавів. З урахуванням останньої обставини промислове освоєння ЖНС буде визначатися в першу чергу економічною доцільністю[1].

Coплові і робочі лопатки сучасних газотурбінних двигунів (ГТД) виготовляють з складно легованих жароміцних нікелевих суперсплавів, що являють собою тверді розчини на основі нікелю з ГЦК-структурою, зміцнені вторинними виділеннями ?-фази, що є твердим розчином на основі інтерметаліда NiзAl з упорядкованою кристалічною ГЦК- структурою (L12). Висока жароміцність як закордонних, так і вітчизняних суперсплавів типу ЖС (ЖС6, ЖC26, більш B ЖC32 та ін.) визначається великим обсягом частки (до 40-60 об.%) і високою дисперсністю вторинних виділень ? -фази NiзAl, що утворюються при старінні пересиченого твердого розчину на основі нікеля і маючих кубічну форму, період кристалічної решітки яких порівняно з Ni-матрицею відрізняється на 0,3 - 0,5 % . Максимум робочих температур цих сплавів (1050-1100 ° С) визначається їх знеміцненням при зазначених температурах насамперед через зменшення об'ємної частки вторинних виділень ?-фази NiзAl.

Одним з перспективних направлень робіт з задачею підвищення робочих температур «гарячих» деталей ГТД, і передусім лопаток, є розробка конструкційних жароміцних сплавів на основі ?-фази NiзAl серії ВКHA (типу. ВКHA-4У, ВKHA-1В та ін.). Сплави мають більш високу температуру плавлення, являють більш високу температуру плавлення, і являються більш легкими і здатними працювати в окислюючи середовищах без покриттів завдяки більш високому вмісту в них алюмінію в порівнянні з традиційними нікелевими суперсплавами. За основними характеристикам механічних властивостей нові інтерметаллідні ливарні, (і здатні до деформації) сплави задовольняють вимоги, що пред'являються в промисловості до сплавів для лиття таких деталей ГТД, як соплoві лопатки, створки регульованого сопла і елементи камер згоряння палива, а також робочі лопатки ряда ГТД[2].



2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ

2.1 Об'єкт дослідження

Для якісного фазового аналізу системи Al/Ni було виготовлено зразок у вигляді тонкошарового покриття з товщиною не більше 100 нм.

Досліджуваний зразок виготовлено методом резистивного випаровування Al/Ni у вакуумі з подальшою конденсацією на кристалах NaCl. При використанні NaCl у якості підкладки плівка достатньо легко видаляється з його поверхні розчиненням остатнього у воді.

Вакуумне випаровування та осадження було проведено у вакуумній камері установки ВУП-5 у вакуумі приблизно 10-3 - 10-4 Па.

Для отримання вакуумноосадженої плівки Al/Ni застосовується метод вакуумного випаровування об'єктів за рахунок пропускання через них електричного струму.

Рисунок - Установка ВУП 5

2.2 Отримання зразків методом термічного випаровування

Основним методом одержання металевих плівок є вакуумне осадження (термічне випаровування у вакуумі) різних металів (алюміній, купрум та ін), так як воно має ряд переваг: чистота і відтворюваність процесів напилення, висока продуктивність, можливість напилення на напівпровідникові пластини одного або декількох металів за одну операцію, і сплавки напилення плівки металу у вакуумі для оберігання її від окислення, легкістю контролювання процесу напилення та можливістю отримання плівок металу різної товщини і конфігурації при напиленні металів із застосуванням масок [5].

Схема установки ВУП-5, на якій був виготовлений зразок методом термічного випаровування металів у вакуумі, зображена на рис.2.4.

Рисунок 2.4 - Схема напилення в установці ВУП-5 [6] .

1-можливий напрямок газового потоку, 2-десорбція газу з нагрітих стінок, 3 - область мінімальної швидкості конденсації на підкладинці, 4-підкла-динка, 5-напилене покриття, 6 - газ, який виділявся з випаровувала, 7- випаровував, відбивач, 9 - насос.

Метал, який необхідно осадити на підкладку (4) розташовують у випаровувачі (7), який має форму спіралі або човника з фольги із заглибленням.

Через випаровував пропускають електричний струм, доки він не набуде температури, достатньої для початку плавлення матеріалу. Пари розплавленого металу розповсюджуються у вигляді атомарного пучка в напрямку підкладинки (4) та осідають на її поверхні, утворюючи шар у вигляді тонкої плівки (вакуумного конденсату)(рис. 2.4).

Вся система поміщається у вакуумну камеру, відкочену до достатньо високого вакууму. Вакуум має бути таким, щоб атоми металу не зіштовхувалися з молекулами залишкового газу при своєму русі до підкладинки, тобто їх траєкторії мають бути прямолінійні. Ця умова виконується, якщо у камері створюється тиск порядку 10-5 мм. Ртутного стовпчика. В цьому випадку відстань від випарника до підкладинки досить мала порівняно з середньою довжиною вільного пробігу молекул газу і більша частини атомів металу буде досягати підкладинки, не зазнаючи співударяння з молекулами залишкового газу. При осадженні парів на підкладинку відбувається перехід атомів з парової фази в конденсований стан.

Застосування електронної мікроскопії дозволило встановити, що при конденсації парів спочатку утворюються краплі рідкої фази, які на деякій стадії росту кристалізуються, утворюючи окремі ізольовані частинки (зародки), що мають в більшості випадків сферичну форму. Потім процес подальшої конденсації парів відбувається ріст зародків, їх злиття і утворення суцільного шару [7].

2.3 Будова та принцип дії електронографа

Джерело електронів (електронна гармата) формує тонкий пучок електронів, прискорених напругою в декілька десятків кіловольт. Сформований пучок електронів спрямовується на зразок досліджуваної речовини, що має бути достатньо тонким, аби електронний промінь пройшов через нього не втрачаючи суттєво інтенсивності. Електронний промінь дифрагує (або, як у випадку аморфної речовини - розсіюється) на періодичній структурі, що утворена з атомів або інших розсіюючих центрів на кшталт областей когерентного розсіяння (зерен) та дефектів пакування створюючи інтерференційну картину, яку зазвичай називають дифракційною та спостерігають на флуоресцентному екрані або реєструють на фотопластині. У випадку полікристалічного зразка дифракційна картина має вигляд концентричних кілець або, у випадку монокристалічного зразка окремих рефлексів. На рис. 2.5 зображена оптична схема електронографу.

Рисунок 2.5 - Оптична схема електронографу [8].

Метод електронної дифракції реалізується в електронографах та в просвічуючих (трансмісійних) електронних мікроскопах, в яких електрони прискорюють до енергій 50 - 200 кеВ.

Електронографи відрізняються від електронних мікроскопів тим, що в них відсутні об'єктивна, проміжна і проекційна лінзи. Завдяки відсутності лінз між зразком та екраном електронограма має мінімально можливі викривлення, що дозволяє визначати параметри кристалічних граток з точністю ±0.002 Е [9]. Електронографи дозволяють спостерігати тільки дифракцію електронів, тоді як в електронному мікроскопі завдяки наявності об'єктивної лінзи можна спостерігати як дифракцію електронів, так і зображення об'єкту, на якому сталася вказана дифракція.

Геометрія електронної дифракції схематично представлена на рис. 2.6.



Рисунок 2.6 - Схема геометрії утворення дифракційної картинки [10].

Вона визначається відомим законом Вульфа - Брегга:

,

де л - довжина хвилі електрона,

d - міжплощинна відстань,

и - кут розсіяння,

n - порядок відбиття.

Довжина хвилі електрона л пов'язана з його імпульсом p. У 1924 році французький фізик Де Бройль припустив, що всякий раз, коли частки мають імпульс p, їх рух асоціюється з хвилею, довжина якої обчислюється як:

,

де h - постійна Планка;

p - імпульс частинки (p=mх).

Електрони, що перебувають в електричному полі, створеному різницею потенціалів V, набувають кінетичної енергії E:



,

де е - заряд електрона.

З іншої сторони, енергія електрону, в якого швидкість х, описується формулою: нікелевий сплав лиття вакуумний

Виходячи з формул 2.2 та 2.3 можна написати , що імпульс буде визначатись формулою:

,

У такому разі довжина хвилі електронів (так звана де-бройлівская довжина хвилі) обчислюється з приведеного нижче рівняння, підставивши 2.4 в 2.1:

де m -- маса електрона,

е - заряд електрона,

V - прискорююча напруга.

Після підстановки констант робоча формула для обчислення довжини хвилі електронів (у ангстремах) набирає наступного вигляду:

л =

де V - прискорююча напруга у вольтах [11].

З цієї формули виходить, що для електронів з енергіями від 1 до 1000 еВ довжини хвиль де Бройля лежать в межах від 10 до 0,1 Е. Для прискорюючої напруги 200 кВ отримуємо довжину хвилі 0.025 Е (порівняйте довжини хвиль електрона для прискорюючої напруги 5, 75, 100, 200 і 400 кВ).

Тому хвилеві властивості електронів повинні проявлятися, наприклад, при їх розсіянні на кристалах, де відстань між атомами складає 1 ч 3 Е. В даному випадку кристали виступають природними дифракційними гратками. [12].

За довжини хвилі порядку 0,04 Е та типових значень міжплощинних відстаней порядку 2-3 Е кути дифракції и становлять одиниці градусів, що дозволяє прирівняти tg2и ? 2tgи ? 2sinи ? 2и. Тоді закон Вульфа - Брегга 2dsinи=nл можна записати як d*tg2и = nл. Але tg2и=R/L. Тоді звідки, якщо опустити n - порядок відбиття, отримаємо:

,

де R - відстань від центру дифракційної картини ( сліду первинного пучка) до дифракційного рефлексу;

L - відстань від зразка до екрану,

d - міжплощинна відстань,

л - довжина хвилі,

Добудок Lл називається постійною приладу С і формула для розрахування міжплощинних відстаней по електронограмі набуває вкрай простого виразу[13]:

,



3. РОЗРАХУНОК ЕЛЕКТРОНОГРАМ

Електронограми для даної курсової роботи були одержані при прискорюючій напрузі 75 кВ за допомогою електронографа «ЭМР-100». Прошарки алюмінія та нікелю були отримані за допомогою послідовної конденсації елементів у вакуумі на ситалову підложку, яку попередньо не нагрівали. Товщина слоїв складала 30-50 нм. Час витримки при різних температурах - 3 хв. Стала приладу C ? 54.68.

На рис. 7 приведена електронограма від двошарової плівки Al/Ni до відпалу. З електронограми видно, що кільця 1,2,4,5,7,8 належить Al, а інші - Ni. Електонограма була зроблена при температурі 20 єС. Прирівняємо електронограму еталону та зразка, щоб зрозуміти де Al, а де Ni.

Наступним етапом було індиціювання рефлексів електронограми. Індекси Ni були знайдені за допомогою інформації з бази даних. Отримані результати наведені в табл.1. Розраховане значення параметру aAl = 4,049 ?, аNi = 3,523 ?.

Таблиця 1 - Результати досліджень електронограми Al/Ni до відпалу

№ лінії	D, мм	H	K	L	d, Е	Фаза	C	аNi = 3,523 ? aAl = 4,049 ?
1	23,6	1	1	1	2,31	Al	54.657
2	27,3	2	0	0	2,00	Al	54.654
3	31,3	2	0	0	1,74	Ni	54.462
4	38,6	2	2	0	1,41	Al	54.426
5	45,2	3	1	1	1,20	AL	54.646
6	51,6	3	1	1	1,05	Ni	54.644
7	59,6	3	3	1	0,91	Al	54.236
8	61,1	4	2	0	0,89	Al	54.68

Нижче наведений рисунок, на якому накладені дві електронограми - електронограма Al/Ni при 573єС.



Індиціювання електронограми та розрахунки всіх необхідних параметрів наведено в табл. 2.

Таблиця 2 - Результати досліджень електронограми Al/Ni при температурі відпалу 573єС

№ лінії	D, мм	H	K	L	d, Е	Фаза	aAlNi3 = 3,572? aAl3Ni2 = 4,065?
1	11	0	0	1	4,97	Al3Ni2
2	15,4	1	1	1	3,55	Al
3	18,9	2	0	0	2,89	Al
4	22,8	1	1	0	2,39	AlNi3
5	26,5	2	2	0	2,06	Al
6	30,3	3	1	1	1,80	Al
7	37,8	2	1	1	1,44	AlNi3
8	46,1	2	1	2	1,18	Al3Ni2
9	50,5	3	1	1	1,08	AlNi3
10	59,7	4	0	0	0,91	AlNi3
11	66,4	3	3	1	0,82	AlNi3
12	68	4	2	0	0,80	AlNi3

Виявлено два інтерметаліда AlNi3 та Al3Ni2. Отримане значення параметру для даної температури становить aAlNi3 = 3,572?, aAl3Ni2 = 4,065?.

Нижче наведена електронограма охолодженого зразка до 131 єС .

Розрахунки для цієї електронограми наведені в табл.3. По результатам розрахунків параметр ґратки для цієї температури а = 3,714?.

Таблиця 3 - Результати досліджень електронограми Al/Ni при охолодженні до 131єС

№ лінії	D, мм	H	K	L	d, Е	Фаза	ANi2Al3 = 4,03 ? aAl3Ni2 = 4,028 ?
1	11,1	1	0	0	4,92	Al3Ni2
2	15,3	1	1	1	3,57	Al
3	18,9	2	0	0	2,893	Al
4	26,5	2	0	0	1,87	Al
5	30,6	3	1	0	2,06	Al
6	32,9	2	0	1	1,662	Ni2Al3
7	37,9	2	0	2	1,442	Al3Ni2
8	43,1	3	1	1	1,26	Al
9	46,4	2	1	2	1,17	Al3Ni2
10	50,7	3	0	2	1,07	Al3Ni2
11	60,1	3	1	2	0,90	Ni2Al3
12	66,6	4	0	2	0,82	Ni2Al3

Як бачимо фаза AlNi3 зникла, але з'явилася нова фаза Ni2Al3, що і видно з даної електронограми.

Також ми можем вирахувати ОКР (область когерентного розсіяння). Область когерентного розсіяння нам потрібна для того, щоб оцінити приблизний розмір зерен зразка. Для цього нам потрібно визначити ширину лінії на електронограмі після охолодження до 131єС яка співпадає з електронограмой при 20єС та є самою інтенсивною.

ОКР = С/В

С - стала приладу;

B - ширина лінії;

B = 0,6 мм

ОКР = 54,68/0,6 = 91.1



ВИСНОВКИ

В процесі виконання курсової роботи було проведено фазовий аналіз електронограм системи Al/Ni: при температурі 20єС до відпалу, при температурі 573єС під час відпалу, та при температурі 131єС після охолодження зразка. В результаті аналізу було виявлено фази які утворилися під час відпалу при 573єС : AlNi3, aAlNi3 = 3,572? та Al3Ni2, aAl3Ni2 = 4,065?. Також було взначено, що під час охолодження до 131єС фаза AlNi3 зникла, але з'явилася нова фаза Ni2Al3, aNi2Al3 = 4,03?, та у фазі Al3Ni2 змінився період кристалічної гратки, який дорівнює aAl3Ni2 = 4,028?.

Також було визначено область когерентного розсіяння для нашого зразка, яка дорівнює ОКР = 91.1



ЛІТЕРАТУРА

1. Петрушин Н.В. - Физико-химические и структурные характеристики жаропрочных никелевых сплавов.: - Петрушин Н.В., Светлов И.Л. - Металлы №2-2001 г.

2. К.Б. Поваров. - Термостабильность структуры сплава на основе Ni3Al и его применение в рабочих лопатках малоразмерных ГТД.: - Поваров К.Б., Казанская Н.К., БунтушкинВ.П., Костогрыз В.Г., БахаревВ.Г., Миронов В.И., Базылева О.А., Дроздов А.А., Банных И.О. - Металлы №3-2003 г.

3. А.Г. Басов. - Металлические поверхности и плёнки.: - Басов А.Г., Чорноус А.М., Шпетный И.О. - Металлофиз. новейшие технол. 2008 г.

4. Методичні вказівки до лабораторної роботи студентів «приготування вуглецевих плівок для електронно мікроскопічних досліджень нанорозмірних об'єктів» з курсу «Електронна мікроскопія»/ НТУУ « КПІ» кафедра фізики металів.

5. Малишева І.А. Технологія виробництва інтегральних мікросхем

6. П. Хирш, А, Хови та ін. Електронна мікроскопія тонких кристалів. М.: "Світ", 1968, 574 с.

7. 14. Эндрюс Дайсон Киоун Електронограммы і їх інтерпретація, М.: "Світ", 1971, 574 с.

8. Ю. А. Куницький, Я. І. Купина. Електронна мікроскопія: навчальний посібник. Київ.: Либідь, 1998. - 392 с

9. С. С. Горелик, Ю.А. Скаков, Л-Ш. Расторгуев. Рентгенографічний і електроннооптичний аналіз. М.: МИСиС, 1994, 328 с.

10. Ю. А. Куницький, Я. І. Купина. Електронна мікроскопія: навчальний посібник. Київ.: Либідь, 1998. - 392 с.

11. Прилади і методи дослідження плівкових матеріалів /За загальною редакцією проф. І.Ю. Проценка: Навчальний посібник. - Суми: Вид-во СумДУ, 2007.-264 с.

12. Горелик С. С, Скаков Ю. Б., Расторгуев Л. Н.: Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Учеб. пособие для вузов. -- 3-е изд. доп. и перераб. -- М.: -МИСиС-, 1994. -- 328 с. (Електронний варіант знаходиться в депозитарії електронних ресурсів на сервері кафедри физики металів НТУУ “КПІ»).

13. Эндрюс К., Дайсон Д., Киоун С. Электроннограммы и их интерпретация.- М.: Мир,1971.-256 с. (Електронний варіант знаходиться в депозитарії електронних ресурсів на сервері кафедри физики металів НТУУ “КПІ»).

Размещено на Allbest.ru