Анализ зоны контакта системы покрытие – подложка, подвергнутой облучению импульсным электронным пучком

Введение

В последние два десятилетия сформировался значительный научный интерес к разработке и исследованию высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) благодаря их уникальной микроструктуре, композиционному составу, механическим и функциональным свойствам [1; 2]. Первыми из таких материалов были выбраны сплавы систем Al – Co – Cr – Fe – Ni и сплав Кантора Mn – Co – Cr – Fe – Ni [3; 4]. Наряду с характеристиками, типичными для металлических сплавов, ВЭС обладают уникальными и необычными свойствами, присущими, например, металлокерамикам: высокой твердостью и стойкостью по отношению к температурному разупрочнению, дисперсионным твердением, положительным температурным коэффициентом упрочнения, высокими прочностными характеристиками при повышенных температурах, высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью, рядом других характеристик [5 – 8].

В обзорах [8 – 11] проанализированы структурно-фазовые состояния, свойства, моделирование, методы получения и области применения наиболее перспективных ВЭС и отмечено, что появление ВЭС является значительным шагом вперед в развитии металлических сплавов.

В настоящее время интенсивно накапливается информация о структурно-фазовых состояниях, дефектной субструктуре, стабильности, деформационном поведении в широком диапазоне температур, влиянии легирования и других факторов, новых методах получения ВЭС [12 – 17]. В физике ВЭС наметилось определенное направление улучшения поверхностных свойств за счет различных видов обработки, включая облучение низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Электронно-пучковая обработка обеспечивает сверхвысокие (до 10⁸ К/с) скорости нагрева поверхности и ее охлаждение за счет теплоотвода в основной объем материала, что ведет к образованию неравновесных субмикро- и нанокристаллических структурно-фазовых состояний, формированию столбчатой структуры и гомогенизации химического состава [18].

Целью настоящей работы является анализ структурно-фазовых состояний зоны контакта слоя ВЭС (покрытие), сформированного методом проволочно-дугового аддитивного производства на сплаве 5083 (подложка) и подвергнутого электронно-пучковой обработке.

Материал и методика исследования

В качестве материала исследования использована система «покрытие – подложка». Покрытием являлся высокоэнтропийный сплав элементного состава Mn – Cr – Fe – Co – Ni, который был сформирован на подложке методом проволочно-дугового аддитивного производства [1; 2]. Подложкой являлся сплав 5083. Облучение зоны контакта системы «покрытие – подложка» интенсивным импульсным электронным пучком осуществляли на установке «СОЛО» при следующих параметрах процесса: энергия ускоренных электронов U = 18 кэВ; плотность энергии пучка электронов E_S = 30 Дж/см²; длительность импульса пучка электронов t = 200 мкс; количество импульсов N = 3; частота следования импульсов f  = 0,3 с\(^–\)¹. Облучение осуществляли в вакууме при давлении остаточного газа (аргона) в камере установки p = 0,02 Па. Исследования структурно-фазовых состояний зоны контакта покрытия и подложки осуществляли методами сканирующей (прибор SEM 515 Philips с микрорентгеноспектральным анализатором EDAX ECON IV) и просвечивающей дифракционной (прибор JEM-2100) электронной микроскопии [19 – 21]. Фольги для просвечивающего электронного микроскопа изготавливали ионным утонением (установка Ion Slicer EM-091001S, утонение осуществляется ионами аргона) пластинок, вырезанных из массивных образцов на установке Isomet Low Speed Saw перпендикулярно поверхности наплавленного слоя ВЭС из области границы раздела подложки и наплавки, что позволяло проследить изменение структуры и фазового состава материала по мере удаления от зоны контакта покрытия с подложкой.

Результаты работ и их обсуждение

На рис. 1 приведено электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения зоны контакта покрытия (ВЭС) и подложки (сплав 5083). Отчетливо видно, что формируется протяженный слой толщиной до 700 мкм, характеризующийся наличием микротрещин, расположенных вдоль границы контакта со стороны подложки. Контактный слой имеет извилистые границы, что может свидетельствовать о высоком уровне сплавления подложки и наплавленного материала.

Методами микрорентгеноспектрального анализа выявлена взаимная диффузия атомов подложки и покрытия (табл. 1). Отчетливо видно, что приконтактный слой покрытия легирован атомами алюминия (рис. 1, а, б, область анализа А), а приконтактный слой подложки – элементами ВЭС (рис. 1, в, г, область анализа Б). При этом алюминий в существенно большей степени легирует покрытие. Последнее связано, очевидно, с низкой температурой плавления алюминия по сравнению с ВЭС. Изменение элементного состава контактного слоя системы «пленка – подложка» при переходе от металла наплавки к металлу подложки приведено на рис. 2. Наблюдается плавное изменение элементного состава зоны контакта (рис. 2, б). Это может свидетельствовать об отсутствии вихревых потоков при использованном способе наплавления покрытия на подложку и последующем облучении импульсным электронным пучком.

Можно предположить, что взаимное легирование покрытия и подложки в условиях облучения импульсным электронным пучком приведет к существенному изменению фазового состава зоны контакта. Исследования элементного и фазового составов, выполненные методами тонких фольг, осуществляли по слоям (рис. 2, б).

Установлено, что структура слоя I сформирована ячейками высокоскоростной кристаллизации (рис. 3, а). По мере удаления от зоны контакта с покрытием ячеистая структура вырождается в слоистую (рис. 3, б). Объем ячеек является твердым раствором магния в алюминии, что соответствует сплаву 5083 (табл. 2, области анализа 1 и 2 указаны на рис. 3). Прослойки второй фазы, расположенные по границам ячеек, обогащены атомами, формирующими наплавку и подложку.

Методами темнопольного анализа с последующим индицированием микроэлектронограмм установлено, что объем ячеек высокоскоростной кристаллизации сформирован твердым раствором на основе алюминия. Ячейки кристаллизации разделены прослойками фазы Mg₂Si.

Слой II имеет пластинчатую структуру и образован, очевидно, в результате эвтектического превращения, имеющего место при высокоскоростной термической обработке, инициированной импульсным электронным пучком (рис. 4, а). Методами микрорентгеноспектрального анализа фольги показано, что основным элементом данного слоя является алюминий (76,8 %), в меньшем количестве присутствуют Mg (4,1 %), Cr (2,2 %), Mn (0,3 %), Fe (4,9 %), Co (1,6 %), Ni (10,1 %) (ат.).

Методами темнопольного анализа с последующим индицированием микроэлектронограмм установлено, что данный слой сформирован пластинами следующих фаз: Al₁₃Fe₄ (рис. 4, б), Cr – Ni – Fe и Al₆Fe (рис. 4, г).

Слой III, как и слой I, сформирован ячейками высокоскоростной кристаллизации (рис. 5, а). Объем ячеек образован сплавом состава 0,17 % Mg – 20,3 % Al – 4,3 % Cr – 16,7 % Fe – 9,3 % Co – 49,2 % Ni, что соответствует ВЭС, легированному элементами подложки. Прослойки второй фазы, расположенные по границам ячеек, также сформированы элементами, формирующими наплавку и подложку (41,5 % Mg – 10,9 % Al – 9,0 % Cr – 1,0 % Mn – 15,2 % Fe – 4,1 % Co – 18,4 % Ni).

Методами темнопольного анализа с последующим индицированием микроэлектронограмм установлено, что объем ячеек высокоскоростной кристаллизации сформирован твердым раствором на основе ВЭС, легированного алюминием и магнием (рис. 5, б). Ячейки кристаллизации разделены прослойками фазы Al₁₈Cr₂Mg₃ (рис. 5, в).

Выводы

Методом проволочно-дугового аддитивного производства на сплаве 5083 сформировано покрытие ВЭС неэквиатомного элементного состава Mn – Cr – Fe – Co – Ni. Осуществлено облучение зоны контакта системы «покрытие – подложка» интенсивным импульсным электронным пучком. Методами современного физического материаловедения выполнены исследования элементного и фазового составов, состояния дефектной субструктуры сплава, формирующейся в зоне контакта системы «подложка – покрытие». Выявлено взаимное легирование покрытия и подложки в слое толщиной приблизительно 1700 мкм. Показано, что высокоскоростное охлаждение зоны контакта системы «покрытие – подложка», имеющее место при термическом воздействии, инициированном импульсным электронным пучком, привело к формированию многоэлементной, многофазной субмикро-нанокристаллической структуры. Установлено, что контактный слой, примыкающий к подложке, имеет структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации. Объем ячеек сформирован твердым раствором магния в алюминии, что соответствует сплаву 5083; по границам ячеек располагаются прослойки второй фазы, обогащенные атомами, формирующими покрытие и подложку. Центральная область зоны контакта сформирована кристаллитами пластинчатой формы, что может указывать на их эвтектическую природу образования. Основным химическим элементом данной области является алюминий (примерно 77 % (ат.)). Контактный слой, примыкающий к покрытию, имеет структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации. Объем ячеек сформирован сплавом состава 0,17 % Mg – 20,3 % Al – 4,3 % Cr – 16,7 % Fe – 9,3 % Co – 49,2 % Ni, что соответствует ВЭС, легированному элементами подложки; прослойки второй фазы, расположенные по границам ячеек, обогащены магнием и, в меньшей степени, атомами, формирующими покрытие.