Obrabotka Metallov 2012 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (56) 2012 72 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Материал и методика эксперимента В качестве исходного материала для импланта- ции ионами алюминия выбран титан марки ВТ1-0. Для формирования ультрамелкозернистого состоя- ния в заготовках титана (УМЗ-титан) применяли разработанный в ИФПМ СО РАН комбинированный метод многократного одноосного прессования ( аbc - прессование) с последующей многоходовой прокат- кой в ручьевых валках при комнатной температуре и дорекристаллизационным отжигом [3, 4]. Форми- руется зеренная структура сплава, представленная зернами анизотропной формы, средний поперечный размер которых составляет 0,3 мкм. Ионная имплантация титановых материалов про- ведена на ионном источнике MEVVA-V.RU при темпе- ратуре 623 К, ускоряющем напряжении 50 кВ, плотно- сти тока ионного пучка 6,5 мA/см 2 , расстоянии 60 см от ионно-оптической системы, времени имплантации 5,25 ч и дозе облучения 1 ⋅ 10 18 ион/см 2 . Для анализа химического состава имплантированного материала использован оже-электронный спектрометр 09ИОС. Исследования микроструктуры и фазового состава проведены на просвечивающем электронном микро- скопе FEI Tecnai 20 при ускоряющем напряжении 200 кВ. Изучение микроструктуры и фазового состава имплантированных материалов проводили в двух об- ластях модифицированного слоя: I область – на глуби- не до 200 нм от облученной поверхности; II область − на глубине от 250 до 450 нм от облученной поверх- ности. Результаты и их обсуждение Согласно оже-спектрам в имплантированном слое титана максимальная концентрация внедренной примеси алюминия составляет менее 30 % (рис. 1, а ). При этом толщина всего имплантированного слоя не превышает ~600 ± 50 нм. Установлено также, что наряду с алюминием в поверхностном слое присут- ствуют кислород и углерод, внедренные из остаточ- ной атмосферы имплантера. Причем максимальная концентрация кислорода может достигать 25 %, что возможно вследствие облегченной диффузии кисло- рода в титане. Поэтому после имплантации справед- ливо ожидать появление оксидов и карбидов титана. Проведенные методом ПЭМ исследования им- плантированного слоя по глубине показали, что имплантация алюминия в титан привела к образо- ванию целого набора фаз, обладающих различными кристаллическими решетками. Места локализации наблюдаемых фаз и их форма по глубине имплан- тированного слоя схематически представлены на рис. 1, б-в , а также приведены в таблице. Как вид- но из рис. 1, б-в и таблицы, по мере удаления от об- лученной поверхности изменяются фазовый состав сплава, размеры фаз, их объемная доля и места ло- кализации. Тем не менее во всем имплантированном слое основной и превалирующей фазой (до 90–95 % объема материала) всегда остается α -Ti. Зерна α -Ti имеют анизотропную форму, обусловленную спо- собом приготовления образца: многократное одно- осное прессование ( аbc -прессование) с последую- щей многоходовой прокаткой в ручьевых валках. На расстоянии 0…200 нм от облученной поверх- ности (область I) наряду с зернами α -Ti в структуре сплава присутствуют вторичные фазы. Во-первых, это зерна β -Ti, имеющие ОЦК кристаллическую решетку (пространственная группа Im3m ). Распола- гаются они по границам зерен α -Ti, обладают ани- зотропной формой и малым размером (см. таблицу). Объемная доля их мала и составляет в объеме мате- риала величину ~1%. Электронно-микроскопическое изображение зерен β -Ti приведено на рис. 2, а . Третьей фазой, присутствующей в материале, является фаза TiAl 3 . Это –упорядоченная фаза со сверхструктурой D0 22 , обладающая ОЦТ кристал- лической решеткой с пространственной группой I4/mmm . Фаза TiAl 3 представляет собой нанозерна округлой формы, расположенные внутри зерен α -Ti (рис. 2, б ). Средний размер зерен составляет 50 нм, объемная доля − 2 %. Следующая фаза − включения частиц карбида титана (TiC). Этот карбид имеет ГЦК кристаллическую решетку (пространственная груп- па Fm3m ). Частицы TiC располагаются внутри зерен α -Ti (рис. 2, б ), их средний размер − 40 нм, объемная доля ~1 %. Еще одна фаза, присутствующая в мате- риале, − это включения оксида титана TiO 2 (иначе − брукит), обладает орторомбической кристаллической решеткой (пространственная группа Pbca ). Частицы TiO 2 имеют округлую форму и располагаются на гра- ницах и внутри зерен α -Ti на дислокациях (рис. 2, в ). Рис. 1 . Концентрационные профили внедренных элемен- тов в поверхностном слое титана ( а ) и схематическое представление локализации вторичных фаз в имплан- тированном слое ( б − область I; в − область II); δ – рас- стояние от поверхности