Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме
Приведены результаты исследований микротвердости толстых (20… 60 мкм) керамико-металлических конденсатов систем Al₂O₃—Me (где Me – ниобий, молибден, титан, цирконий, кобальт) в зависимости от основных технологических параметров их синтеза – температуры подложки Tп и количества вводимой в матрицу Al₂...
Saved in:
| Date: | 2012 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Series: | Современная электрометаллургия |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96546 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме / Я.А. Стельмах // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 25-30. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96546 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-965462025-02-23T17:48:11Z Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме Mechanical properties of nanostructured cermets on Al₂O₃ base, produced by electron beam deposition in vacuum Стельмах, Я.А. Электронно-лучевые процессы Приведены результаты исследований микротвердости толстых (20… 60 мкм) керамико-металлических конденсатов систем Al₂O₃—Me (где Me – ниобий, молибден, титан, цирконий, кобальт) в зависимости от основных технологических параметров их синтеза – температуры подложки Tп и количества вводимой в матрицу Al₂O₃ металлической добавки. Определены наиболее перспективные металлические добавки для получения керметов с высокой микротвердостью. Показано, что введение металлической составляющей в паровой поток Al₂O₃ позволяет синтезировать стабильные конденсаты с микротвердостью до НV = 20… 22 ГПа. Исследованиями ТЭМ установлено, что данные керметы находятся в наноструктурном состоянии. Показано, что применение ионной активации парового потока металлической добавки существенно повышает микротвердость керметов. Установлено, что термическая активация вносит дополнительный вклад в увеличение микротвердости керметов полученных электронно-лучевым осаждением. Presented are the results of investigations of microhardness of thick (20… 60 m) ceramic-metallic condensates of system Al₂O₃—Me (where Me – Nb, Mo, Ti, Zr, Co) depending on main technological parameters of their synthesis: substrate temperature (Ts) and amount of metallic addition, added to matrix Al₂O₃.The most challenging metallic additions are defined for producing cermets with high microhardness. It is shown that adding of a metallic component into a vapor stream of Al₂O₃ allows producing the stable condensates with microhardness up to HV = 20… 22 GPa. It was found by TEM examinations that the produced cermets are in a nanostructured state. It is shown that the application of ion activation of a vapor steam of metallic addition will greatly increase the microhardness of cermets. It was found that the thermal activation contributes significantly to the increase in microhardness of cermets produced by electron beam deposition. 2012 Article Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме / Я.А. Стельмах // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 25-30. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96546 621.793.1:620.22 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы |
| spellingShingle |
Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Стельмах, Я.А. Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме Современная электрометаллургия |
| description |
Приведены результаты исследований микротвердости толстых (20… 60 мкм) керамико-металлических конденсатов систем Al₂O₃—Me (где Me – ниобий, молибден, титан, цирконий, кобальт) в зависимости от основных технологических параметров их синтеза – температуры подложки Tп и количества вводимой в матрицу Al₂O₃ металлической добавки. Определены наиболее перспективные металлические добавки для получения керметов с высокой микротвердостью. Показано, что введение металлической составляющей в паровой поток Al₂O₃ позволяет синтезировать стабильные конденсаты с микротвердостью до НV = 20… 22 ГПа. Исследованиями ТЭМ установлено, что данные керметы находятся в наноструктурном состоянии. Показано, что применение ионной активации парового потока металлической добавки существенно повышает микротвердость керметов. Установлено, что термическая активация вносит дополнительный вклад в увеличение микротвердости керметов полученных электронно-лучевым осаждением. |
| format |
Article |
| author |
Стельмах, Я.А. |
| author_facet |
Стельмах, Я.А. |
| author_sort |
Стельмах, Я.А. |
| title |
Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме |
| title_short |
Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме |
| title_full |
Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме |
| title_fullStr |
Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме |
| title_full_unstemmed |
Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме |
| title_sort |
механические свойства наноструктурных керметов на основе al₂o₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Электронно-лучевые процессы |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96546 |
| citation_txt |
Механические свойства наноструктурных керметов на основе Al₂O₃, полученных электронно-лучевым осаждением в вакууме / Я.А. Стельмах // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 25-30. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT stelʹmahâa mehaničeskiesvojstvananostrukturnyhkermetovnaosnoveal2o3polučennyhélektronnolučevymosaždeniemvvakuume AT stelʹmahâa mechanicalpropertiesofnanostructuredcermetsonal2o3baseproducedbyelectronbeamdepositioninvacuum |
| first_indexed |
2025-11-24T06:01:33Z |
| last_indexed |
2025-11-24T06:01:33Z |
| _version_ |
1849650412836093952 |
| fulltext |
УДК 621.793.1:620.22
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НАНОСТРУКТУРНЫХ КЕРМЕТОВ НА ОСНОВЕ Al2O3,
ПОЛУЧЕННЫХ СПОСОБОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО
ОСАЖДЕНИЯ В ВАКУУМЕ
Я. А. Стельмах
Приведены результаты исследований микротвердости толстых (20… 60 мкм) керамико-металлических конденсатов
систем Al2O3—Me (где Me – ниобий, молибден, титан, цирконий, кобальт) в зависимости от основных технологи-
ческих параметров их синтеза – температуры подложки Tп и количества вводимой в матрицу Al2O3 металлической
добавки. Определены наиболее перспективные металлические добавки для получения керметов с высокой микро-
твердостью. Показано, что введение металлической составляющей в паровой поток Al2O3 позволяет синтезировать
стабильные конденсаты с микротвердостью до НV = 20…22 ГПа. Исследованиями ТЭМ установлено, что данные
керметы находятся в наноструктурном состоянии. Показано, что применение ионной активации парового потока
металлической добавки существенно повышает микротвердость керметов. Установлено, что термическая активация
вносит дополнительный вклад в увеличение микротвердости керметов полученных электронно-лучевым осаждением.
Presented are the results of investigations of microhardness of thick (20… 60 m) ceramic-metallic condensates of system
Al2O3—Me (where Me – Nb, Mo, Ti, Zr, Co) depending on main technological parameters of their synthesis: substrate
temperature (T
s
) and amount of metallic addition, added to matrix Al2O3.The most challenging metallic additions are
defined for producing cermets with high microhardness. It is shown that adding of a metallic component into a vapor
stream of Al2O3 allows producing the stable condensates with microhardness up to HV = 20… 22 GPa. It was found by
TEM examinations that the produced cermets are in a nanostructured state. It is shown that the application of ion
activation of a vapor steam of metallic addition will greatly increase the microhardness of cermets. It was found that
the thermal activation contributes significantly to the increase in microhardness of cermets produced by electron beam
deposition.
Ключ е вы е с л о в а : керамико-металлические материа-
лы; наноструктурные материалы; микротвердость; элект-
ронно-лучевое испарение; подложка с градиентом температу-
ры; оксид алюминия; ниобий; молибден; ионная активация;
термическая активация
Для решения различных технологических задач
широко используют химические соединения с ион-
ной или ковалентной связью, в частности тугоплав-
кие оксиды и керамико-металлические соединения
на их основе, поскольку они характеризуются вы-
сокими значениями твердости, коррозионной стой-
кости в агрессивных средах, а также температурной
стабильностью структурных, физических и механи-
ческих свойств, предъявляемых к деталям и узлам
машин. Указанные свойства в сочетании с невысокой
стоимостью оксида алюминия вызывают постоянный
интерес к нему со стороны исследователей.
Оксид алюминия востребован в порошковой ме-
таллургии, используется при газотермическом и
плазменно-детонационном способах напыления.
Керметы на основе Al2O3 благодаря высокому уров-
ню стойкости при температуре до 1200 °С продол-
жительное время применяют в ракетной технике
(вставки сопел, стабилизаторы пламени), метал-
лургии (стержни для регулирования потока метал-
ла, желоба для разливки, защитные чехлы термо-
пар), турбостроении (высокотемпературные уплот-
нения в газовых турбинах, работающие без смазки)
[1]. Покрытия из материалов на основе Al2O3, на-
несенные на детали насосов (валы, сальники, втул-
ки, крыльчатки), обеспечивают высокие значения
твердости, химической стойкости и низкий коэф-
фициент трения [2].
Физическое осаждение из паровой фазы в ваку-
уме предоставляет широкие возможности по варь-
ированию состава, структуры и свойств керамико-
металлических материалов. Находящиеся в паро-
вой фазе вещества не подчиняются законам раство-
римости, поэтому при смешиваннии паров оксида
алюминия и растворимых в нем металлов возможен
синтез материалов, получение которых традицион-
ными способами невозможно.
В данной работе конденсаты на основе Al2O3
получали способом электронно-лучевого испарения
с последующей конденсацией парового потока в
© Я. А. СТЕЛЬМАХ, 2012
25
вакууме на подложку (EB PVD). Физические про-
цессы, положенные в основу данной технологии,
бесспорно, дают возможность отнести ее к нанотехно-
логиям [3]. Существующее оборудование [4] позволяет
производить синтез конденсатов и покрытий на повер-
хностях сложной формы при скоростях осаждения па-
ра от нескольких до десятков микрометров в минуту.
При исследовании структуры толстых (20…60 мкм)
конденсатов чистого Al2O3, полученных способом
электронно-лучевого испарения [5], обнаружено
присутствие наноструктурной составляющей раз-
личных морфологии и фазового состава в интервале
температур конденсации от 100 до 1000 °С, показа-
но, что их свойства можно варьировать в широком
диапазоне в зависимости от температуры формиро-
вания и последующей термической обработки. Од-
нако имеющихся в литературе данных о структуре
и свойствах керамико-металлических материалов
на основе Al2O3, произведенных способом EB PVD,
недостаточно для оценки перспективности их прак-
тического применения. Поэтому представляет инте-
рес как отработка приемов получения, так и иссле-
дование структуры и свойств наноструктурных ком-
позиций на основе Al2O3.
В данной работе изучали механические свойства
толстых (20…60 мкм) керамико-металлических
конденсатов систем Al2O3—Me (Me – ниобий, мо-
либден, титан, цирконий, кобальт) в зависимости
от основных технологических параметров их син-
теза – температуры подложки Tп, количества вво-
димой в матрицу Al2O3 металлической добавки, а
также энергии конденсирующихся атомов металлов
(адатомов).
Условия эксперимента, методы и объекты. Керами-
ко-металлические конденсаты систем Al2O3—Me для
исследований получали по классической двухти-
гельной схеме электронно-лучевого испарения в
вакууме [6]. При этом одним электронным пучком
испаряли штапик Al2O3, выполненный способом хо-
лодного прессования из порошка оксида алюминия
чистотой 99,6 %, другим – слитки ниобия, молиб-
дена, титана, циркония, кобальта чистотой не менее
99,8 %, полученные с помощью электронно-лучево-
го переплава в вакууме. Применение испарения из
двух источников позволило варьировать состав кон-
денсатов путем изменения соотношения Al2O3/Me.
Количество вводимой металлической добавки в матри-
цу Al2O3 варьировали в интервале 2,5…21,0 мас. %.
Одним из основных факторов, определяющих
структуру и свойства конденсатов, является темпе-
ратура подложки Tп [7]. Методика осаждения кон-
денсатов на подложку с заданным вдоль ее оси гра-
диентом температуры [4] позволяет в одном экспе-
рименте получать информацию о структуре и свойс-
твах конденсированных материалов в заданном не-
прерывном интервале температур осаждения. Гра-
диент температуры 200…1000 °С вдоль подложки
создавали путем закрепления ее одного конца в мед-
ный водоохлаждаемый держатель и нагрева элект-
ронным лучом противоположного конца. Измере-
ние градиента температуры проводили с помощью пяти
хромель-алюмелевых термопар с погрешностью ± 10 °С.
Скорость конденсации в экспериментах состав-
ляла в среднем 2…3 мкм/мин, давление остаточ-
ных газов в рабочей камере во время процесса ис-
парения – (1…2)⋅10—2 Па, толщина полученных
конденсатов – 20…60 мкм.
Для оценки влияния энергии конденсирующих-
ся атомов на механические свойства применяли ион-
ную активацию (ионизацию атомов) парового по-
тока металлической добавки в электростатическом
поле, которую осуществляли дуговым разрядом (сте-
пень ионизации атомов составила примерно 15 %),
электростатическое поле создавали посредством
приложения к подложке напряжения смещения
(U = —150 В).
Для определения элементного состава получен-
ных конденсатов использовали рентгеноспектраль-
ный микроанализатор (приставка EDX к микрос-
копу Cam Scan 4D) с использованием программы
обработки результатов INCA-2000. Погрешность из-
мерений составляла ± 0,3 %.
Микротвердость конденсатов по Виккерсу изме-
ряли с помощью специальной приставки Micro Du-
romat 4000E к оптическому микроскопу Polyvar Met
в режиме автоматического нагружения при нагруз-
ке на индентор 0,1…0,2 Н.
Исследования тонкой структуры конденсатов
оксида алюминия осуществляли методом трансмис-
сионной электронной микроскопии (ТЭМ) на при-
боре H-800 (Hitachi) при значениях энергии уско-
ренных электронов 150…200 кэВ. Для исследова-
ний использовали тонкие участки, полученные от-
слоением от массивного конденсата.
Результаты и их обсуждение. Объектами исследо-
ваний служили вакуумные конденсаты систем
Al2O3—Me с металлическими компонентами – ти-
таном, цирконием, ниобием, молибденом, кобаль-
том – представителями d-металлов соответственно
IVб; Vб; VIб; VIIIб периодических групп. Иссле-
дования проводили в несколько этапов.
С целью определения перспективных для повы-
шения микротвердости Al2O3 добавок на первом эта-
пе изучали влияние небольших (2,5…6,0 мас. %) ко-
личеств указанных металлов на микротвердость
конденсатов, полученных в интервале температуры
подложки 200…950 °С (рис. 1). Как видно из пред-
ставленных зависимостей, добавки кобальта и цир-
кония расширяют температурный интервал синтеза
твердых конденсатов относительно чистого Al2O3
соответственно на 100 и 400 °С, обеспечивая мик-
ротвердость на уровне 2…4 ГПа. Керметы системы
Al2O3—5 мас. % Ti отличаются более высоким уров-
нем микротвердости HV 5…7 ГПа, однако при Tп >
> 600 °С микротвердость керметов Al2O3—4 мас. % Nb
и Al2O3—5 мас. % Mo в 1,5 раза выше и составляет
7,0…10,5 ГПа.
26
Таким образом, наибольшие значения микрот-
вердости HV 5,5…10,5 ГПа достигнуты для систем
Al2O3—4 мас. % Nb и Al2O3—5 мас. % Mo, а следо-
вательно, наиболее перспективными металлами для
получения высокотвердых керметов являются мо-
либден и ниобий. Поэтому дальнейшие исследова-
ния проводили с этими добавками.
Микроструктура однофазных конденсатов хо-
рошо описывается зонной диаграммой, приведен-
ной в работе [7]. Установлено, что фазовые прев-
ращения, присущие оксиду алюминия, незначи-
тельно влияют на формирование структурных зон,
имеющих граничные температуры T1 = 325 и T2 =
= 825 °С [5]. Введение металлических добавок в
матрицу Al2O3 в температурной области формиро-
вания первой структурной зоны (200 °С < Tп < 325 °С)
несколько (примерно на 10…15 %) снижает микротвер-
дость керметов относительно конденсатов чистого
Al2O3 (рис. 1, в). Поскольку в первой структурной
зоне Al2O3 находится преимущественно в аморфном
состоянии, а во второй, – в основном в γ-фазе [5],
можно предположить, что повышение микротвер-
дости базируется как на структурных аспектах, так
и, возможно, на химическом взаимодействии метал-
лической добавки с γ-фазой Al2O3. При этом харак-
тер полученных зависимостей для Al2O3—2,5 мас.
% Co и Al2O3—6 мас. % Zr (рис. 1), в которых по
мере роста Tп отмечено снижение твердости до
0,5…1,0 ГПа, свидетельствует о том, что в процессе
увеличения размеров кристаллитов γ-фазы для под-
держания постоянного уровня микро-твердости с
повышением температуры подложки требуется
большее количество металлического компонента.
Таким образом, использование металлических до-
бавок для повышения микротвердости целесообразно
при Tп > 325 °С, что соответствует второй и третьей
структурным зонам формирования Al2O3.
На втором этапе исследовали влияние количес-
тва металлической добавки на микротвердость отоб-
ранных систем Al2O3—Mo и Al2O3—Nb. Результаты
измерений микротвердости при различных концен-
трациях добавок ниобия и молибдена в интервале
температуры подложки 250…950 °С представлены
на рис. 2, 3. Полученные зависимости имеют слож-
ный немонотонный характер, при их анализе отме-
чены следующие закономерности. В результате уве-
личения количества металлической добавки ниобия
и молибдена до 15…21 мас. % зафиксировано зна-
чительное повышение твердости исследуемых кер-
метов до HV 20…21 ГПа с граничной температурой
синтеза Tк примерно 725 °С для Al2O3—Nb и 870 °С
для Al2O3—Mo. Микротвердость указанных керметов,
синтезированных в интервале Tп < Tк, практически
не зависит от количества металлической добавки в
интервале 5…20 мас. %.
Следует также отметить, что введение даже ма-
лых количеств ниобия (1,5 мас. %) достаточно для
поддержания микротвердости кермета Al2O3—Nb на
уровне HV 5,5 ГПа в интервале 250 °С < Tп < 650 °С.
Уменьшение микротвердости при более высокой
температуре подложки (Tп > 650 °С), по-видимому,
связано с интенсивным формированием кристалли-
тов пористой фазы γ-Al2O3. Этот процесс является
доминирующим, а малых количеств введенной ме-
таллической добавки недостаточно для формирова-
ния плотного кермета.
Для выявления особенностей структуры, лежащих
в основе высокой микротвердости керметов Al2O3—Nb,
методом трансмиссионной электронной микроскопии
Рис. 1. Микротвердость конденсатов Al2O3( ), Al2O3—2,5 % Cо
(Δ), Al2O3—6 % Zr (+), Al2O3—5 % Ti (x), Al2O3—4 % Nb ( ),
Al2O3—5 % Mo ( ) в зависимости от температуры подложки Tп
Рис. 2. Микротвердость конденсатов Al2O3( ), Al2O3—5 % Mo
( ), Al2O315 % Mo (Δ), Al2O3—20 % Mo ( ) в зависимости от
температуры подложки Tп
Рис. 3. Микротвердость конденсатов Al2O3( ), Al2O3—1,5 % Nb
(+), Al2O3—4 % Nb (Δ), Al2O3—15 % Nb ( ), Al2O3—21 % Nb ( )
в зависимости от температуры подложки Tп
27
исследовали конденсаты, синтезированные в интер-
вале температур 250 °С < Tп < 900 °С.
Установлено (рис. 4, а), что конденсаты, полу-
ченные в первой структурной зоне 250 °С < Tп < 325
°С отличаются ультрадисперсной структурой, о чем
свидетельствуют характерные размытые гало на
электронограммах (энергия ускоренных электро-
нов 200 кэВ). Размерность структурных элементов
исследуемых материалов, по нашим оценкам, сос-
тавляет менее 1 нм. С повышением температуры
подложки на электронограммах появляются линии
и точечные рефлексы, что связано с увеличением
размера кристаллитов. Так, при температуре на
подложке 900 °С формируется поликристалличес-
кая структура с размером структурных составляю-
щих 5…20 нм (рис. 4, а).
Из сопоставления результатов механических и
структурных иccледований следует, что увеличение
микротвердости керметов на основе Al2O3, по срав-
нению с чистым Al2O3, сопровождается переходом
масштаба их структурных составляющих из ультра-
дисперсной в наноструктурную область.
Существует несколько основных технологичес-
ких подходов, применение которых позволяет ак-
центировать процессы структурообразования толс-
тых конденсатов [6]. В основе формирования мате-
риалов способом EBPVD лежит контроль энергии
молекул и атомов осаждаемых материалов. Влия-
ние на их структурообразование можно осущест-
влять двумя способами: задавая энергию поверх-
ности конденсации (температуру подложки) и из-
меняя энергию конденсирующихся атомов. Интерес
вызывает вопрос эффективности повышения
энергии конденсирующихся атомов для синтеза
твердых материалов. Поэтому на третьем этапе дан-
ной работы исследовали микротвердость керметов
Al2O3—Nb*, полученных с применением ионизации
атомов металла добавки ниобия в электрическом
поле (ионная активация).
Результаты измерений микротвердости конден-
сатов Al2O3—Nb* (рис. 5) подтверждают эффектив-
ность применения ионной активации парового по-
тока металлической добавки. Максимальные значе-
ния микротвердости HV 21…22 ГПа в интервале
температур 725 °C < Tп < 900 °С получены для
керметов Al2O3—(13…18 мас. %) Nb и фактически
совпадают с уровнем микротвердости керметов
Al2O3—(15…21 мас. %) Nb, полученных ранее без
применения ионизации. Однако в интервале темпе-
ратур 200 °С < Tп < 725 °С уровень микротвердости
керметов Al2O3—Nb*на 30…60 % выше и составляет
в зависимости от количества металлической добав-
ки 7…13 ГПа. Представленные зависимости мик-
ротвердости (рис. 5) в указанном интервале темпе-
ратур Tп имеют монотонный характер, однако, в
отличие от конденсатов, выполненных без ионной
активации (рис. 3), уровень микротвердости полу-
ченных материалов повышается с увеличением кон-
центрации металлической добавки (ниобия). По-
видимому, это результат вклада при синтезе мате-
риала активированных атомов, количество которых
прямо пропорционально массовой доле вводимой
металлической добавки. В данных экспериментах
ионизация паровой фазы ниобия не превышала 20 %,
т. е. фактически ионизировано 1,0; 2,5 и 4 % всего
конденсирующегося материала, поэтому даль-
нейшее повышение степени ионизации металличес-
кой добавки представляет возможности для полу-
чения более твердых керметов Al2O3—Nb.
Таким образом, показана эффективность приме-
нения ионной активации для повышения микро-
твердости керметов Al2O3—Nb.
Рис. 4. Структура и электронограмма конденсатов Al2O3—21 % Nb, осажденных при температурах подложки 900 (а) и 250 °С после
отжига в вакууме при температуре 900 °С (б)
Рис. 5. Микротвердость конденсатов Al2O3( ), Al2O3—4 % Nb*
(Δ), Al2O3—13 % Nb* ( ), Al2O3—18 % Nb* ( ) в зависимости
от температуры подложки Tп
28
На четвертом этапе изучали влияние термичес-
кой активации (отжиг в вакууме P = 1,3⋅10—4 Па в
течение 1 ч) на микротвердость керметов. Конден-
саты систем Al2O3—Mo, Nb, Zr, Ti, полученные в
первой структурной зоне формирования Al2O3 (250
°С < Tп < 325 °С), после отжига при T = = 1100 °С
имели микротвердость на уровне 20…21 ГПа, что, оче-
видно, связано с переходом γ-Al2O3 в α−Al2O3.
Более подробно исследовали влияние термичес-
кой активации при T = 900 °С на микротвердость
конденсатов системы Al2O3—Nb в зависимости от
концентрации добавки. Согласно диаграмме, приве-
денной на рис. 6, в результате отжига керметов Al2O3—
(1,5…15 %) Nb их микротвердость повышается до
11,5 ГПа. При этом наибольшим потенциалом для
получения высокой микротвердости с помощью тер-
мической активации отличается система Al2O3—21 %
Nb – HV 16 ГПа. Микротвердость керметов, по-
лученных с применением ионной активации паров
ниобия в интервале добавок 5…18 мас. %, после
отжига повышается до 17…18 ГПа, что соответс-
твует микротвердости отожженного Al2O3. Исследо-
вания термообработанных конденсатов Al2O3—21 % Nb
(Tп = 250 °С) методом трансмиссионной электронной
микроскопии показали (рис. 4, б), что в результате
отжига происходит переход ультрадисперсной
Рис. 7. Микротвердость конденсатов Al2O3—Nb, полученных в интервале 250 °C < Tп < 840 °С, до и после термической активации (T =
= 900 °С, 1 ч в вакууме P = 1,3⋅10
—4
Па): 1 – Al2O3—15 % Nb; 2 – Al2O3—15 % Nb после термической активации; 3 – Al2O3—13 % Nb*;
4 – Al2O3—13 % Nb* после термической активации при Тп = 300 (I), 475 (II), 650 (III), 710 (IV), 850 (V) °С
Рис. 6. Микротвердость конденсатов Al2O3, Al2O3—Nb, Al2O3—Nb*, полученных при Tп = 250 °С до и после термической активации
(T = 900 °С, 1 ч в вакууме P = 1,3⋅10
—4
Па): 1 – исходный; 2 – после термической активации
29
структуры в поликристаллическую с размером
структурных элементов 10…50 нм.
Дополнительные исследования, направленные
на изучение эффективности термической активации
для повышения твердости полученных материалов
в зависимости от температуры подложки, были про-
ведены для систем Al2O3—15 % Nb и Al2O3—13 % Nb*
(рис. 7). Установлено, что микротвердость керме-
тов, полученных без применения ионной активации
добавки, после отжига монотонно возрастает в ин-
тервале температур 250 °С < Tп < 725 °С. Керметы,
синтезированные с применением ионной активации
после отжига, имеют постоянную микротвердость
на уровне 16…20 ГПа во всем интервале Tп.
Выводы
1. Определены перспективные добавки для получе-
ния высокотвердых наноструктурных керметов на
основе Al2O3 способом EB PVD – тугоплавкие ме-
таллы молибден и ниобий.
2. Наибольшие значения микротвердости кера-
мико-металлических конденсатов на основе Al2O3 –
20…22 ГПа – получены с использованием добавок
ниобия и молибдена в количестве 15…21 мас. % в
интервале температуры подложки соответственно
725 °С < Tп < 950 °С и 850 °С < Tп < 950 °С.
3. Показано, что использование ионной акти-
вации парового потока добавки существенно (на
30…60 %) повышает уровень микротвердости кер-
метов Al2O3—Nb за счет подведения дополнительной
энергии к поверхности конденсации.
4. Установлено, что термическая активация вно-
сит дополнительный вклад в увеличение микро-
твердости керметов Al2O3—Nb.
5. Полученные способом электронно-лучевого
испарения керметы Al2O3—Nb и Al2O3—Мо перспек-
тивны для применения в качестве конструкционных
покрытий на изделиях из различных теплоустойчи-
вых сталей, работающих в условиях повышенных
температур.
1. Керметы / Под ред. Дж. Р. Тинкляпо, У. Б. Крендалла. –
М.: Изд-во иностр. лит., 1962. – 367 с.
2. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. –
М.: Изд-во Машиностроение, 1966. – 345 с.
3. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая технология испарения
и осаждения из паровой фазы неорганических материалов
с аморфной нано- и микроструктурой // Наносистеми, на-
номатериали, нанотехнології. – 2004. – 2, № 4. –
С. 1103—1126.
4. Яковчук К. Ю., Стельмах Я. А. Лабораторная электрон-
но-лучевая установка для осаждения из паровой фазы не-
органических материалов с аморфной, нано- и микрораз-
мерной структурой // Материалы конференции НАН-
СИС-2004 (Киев, 12—14 окт., 2004). – Киев, 2004. – 387 с.
5. Крушинская Л. А., Стельмах Я. А. Структура и некото-
рые свойства толстых конденсатов оксида алюминия, по-
лучаемых электронно-лучевым испарением и осаждением
паровой фазы в вакууме // Наносистеми, наноматеріали,
нанотехнології. – 2010. – 8, № 4. – С. 1003—1014.
6. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая гибридная нанотехно-
логия осаждения неорганических материалов в вакууме //
Актуальные пробл. современ. материаловед. – Киев:
«Академперіодика», 2008. – С. 227—247.
7. Мовчан Б. А., Демчишин А. В. Исследования структуры
и свойств толстых вакуумных вольфрамовых конденсатов
никеля, титана, вольфрама, окиси алюминия и двуокиси
циркония // Физика металлов и металловед. – 1969. –
28, вып. 4. – С. 653—660.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины
Поступила 20.03.2012
30
|