Рентгеноструктурный анализ нанопористых металлических материалов, полученных методом селективной лазерной сублимации

Формирование нанопористых металлических материалов, основной областью применения которых является фильтрация жидкостей и газов, а также синтез химических соединений [1, 2 и др.], перспективно осуществлять методом селективной лазерной сублимации. Данный метод заключается в воздействии на металлические материалы типа твердый раствор лазерного излучения с высокой частотой следования импульсов, при этом основным механизмом образования нанопористой структуры является сублимация компонента материала с более высокой упругостью паров [3–7]. Формирование требуемой структуры достигается при реализации соответствующих температурно-скоростных режимов лазерной обработки.

Экспериментальная отработка метода селективной лазерной сублимации осуществлена на модельном сплаве системы Cu–Zn – латуни Л62 [8, 9]. В результате исследований методом просвечивающей электронной микроскопии выявлена структура и характер распределения пор в полученных материалах. Установлено, что после лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов в приповерхностном слое латуни Л62 формируется нанопористая структура. Нанопоры равномерно распределены внутри субзерна, имеют достаточно стабильные размеры и форму. На границе субзерен форма и размеры нанопор бо-

Осетров Евгений Леонидович, инженер.

Трегуб Николай Валерьевич, инженер.

лее неравномерны. Внутри блока формируется структура, содержащая достаточно равномерно распределенные наноропоры различных форм: от овальной, имеющей неровности в виде выступов и впадин, до неправильной. Средний размер таких пор составляет 30…40 нм. Поры часто соединяются между собой через сужения, имеются нанопоры канального типа шириной 10…20 нм и длиной более 100 нм. В зоне, прилегающей к границе зерна, плотность пор выше, они имеют достаточно сложную форму. Основную долю нанопор составляют поры преимущественно овальной формы со средним размером в диапазоне 40…60 нм, которые, объединяясь с порами канального типа шириной до 20…25 нм и длиной более 100 нм, образуют нанопористую сеть. Происходит образование разветвленных нанопор, имеющих своеобразную дендритную структуру. Для углубленного изучения механизмов формирования на-нопористых структур металлических материалов при реализации метода селективной лазерной сублимации целесообразно провести рентгеноструктурные исследования полученных образцов из медно-цинкового сплава. Метод рентгеновской дифрактометрии, основанный на способности рентгеновских лучей отражаться от плоскостей кристаллической решетки материала, позволяет определить в поликристаллических объектах: присутствующие химические соединения; параметры решетки отдельных соединений; размер областей когерентного рассеяния.

Целью данной работы является проведение рентгеноструктурных исследований фазового состава и параметров твердого раствора нанопо-ристых металлических материалов, полученных методом селективной лазерной сублимации.

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА НАНОПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Выполнены рентгеноструктурные исследования фазового состава и параметров твердого раствора нанопористых металлических материалов, полученных методом селективной лазерной сублимации. При проведении исследований использовался рентгеновский дифрактометр общего назначения ДРОН-7, предназначенный для измерения интенсивности и углов дифракции рентгеновского излучения, дифрагированного на кристаллическом объекте, с целью решения задач рентгенодифракционного и рентгеноструктурного анализа материалов. В дифрактометре ДРОН-7 используется фокусирующая схема Брегга-Брентано [10, 11 и др.], обеспечивающая повышение чувствительности анализа при исследовании материалов с малым содержанием контролируемой фазы. Обработка полученных результатов рентгеноструктурных исследований проводилась с использованием специального программного комплекса, предназначенного для определения набора характеристик каждого отражения дифрактограмм исследуемого образца, полученных при съемке на рентгеновских дифрактометрах.

При исследовании образцов из медно-цинко- вого сплава использовались следующие параметры и режимы дифрактометра ДРОН-7:

• -    излучение Cu–анода (длина волны рентгеновского излучения 1,5406Е);

• -    метод съемки: 2THETA – THETA;

• -    диапазон изменения угла дифракции 2 θ : 30°…165°;

• -    время экспозиция, сек: 2;

• -    шаг съемки, град.: 0,020°.

Дифрактограмма образца из латуни Л62 после проведения селективной лазерной сублимации с образованием в приповерхностном слое нано-пористой структуры, представлена на рис. 1. Диапазон изменения угла дифракции 2 θ : 30°…165°. В качестве β -фильтра использована никелевая фольга толщиной 30 мкм. На рис. 2–5 представ-

Рис. 1. Дифрактограмма медно-цинкового сплава после проведения селективной лазерной сублимации с образованием в приповерхностном слое материала нанопористой структуры:

I – интенсивность дифракционного пика; 2 θ – угол поворота счетчика в угловых градусах

Рис. 2. Участок дифрактограммы, содержащий дифракционный максимум 2 θ =43,15°.

Отражение от семейства плоскостей (111)

Рис. 3. Участок дифрактограммы, содержащий дифракционный максимум 2 θ =50,21°.

Линия с индексами интерференции (200) в результате отражения второго порядка от плоскостей (100)

Рис. 4. Участок дифрактограммы, содержащий дифракционный максимум 2 θ =73,77°. Линия с индексами интерференции (220)

Рис. 5. Участок дифрактограммы, содержащий дифракционный максимум 2 θ =89,46°. Линия (311)

лены участки дифрактограммы, содержащие максимумы пиков интенсивности.

На дифрактограммах с образцов в исходном состоянии все дифракционные максимумы латуни смещены в сторону меньших по сравнению с медью углов 2 θ , имеются классические линии

ГЦК-структуры, т.е. α-твердого раствора цинка в меди, с параметром кристаллической решетки a = 0,3625 нм. Присутствуют отдельные слабые максимумы электронных соединений – фаз Юм-Розери типа β -латуни (CuZn) и γ-латуни (Cu5Zn8) с кубическими кристаллическими структурами, практически исчезающими после дополнительной «мягкой» (в течение 2…3 секунд) электрополировки.

В результате лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов на образцы из медно-цинкового сплава реализован процесс селективной лазерной сублимации с образованием в приповерхностном слое материала нанопо-ристой структуры, параметр решетки α -твердого раствора увеличился до значения a = 0,3651… 0,3684 нм. Имеет место небольшое снижение интенсивности линий α -твердого раствора латуни и их уширение (на 10…30 %), что указывает на увеличение количества дефектов кристаллической решетки, в основном дислокаций и дислокационных стенок. Наблюдается некоторое повышение интенсивности линий электронных соединений – фаз Юм-Розери, что указывает на увеличении их концентрации в латуни при лазерном воздействии.

Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что в результате лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов кристаллическая структура латуни Л62 изменилась:

• -    параметр кристаллической ГЦК-решетки α -твердого раствора увеличился от значения a = 0,3625 до a = 0,3651…0,3684 нм;

• -    плотность дефектов кристаллического строения повысилась;

• -    концентрации фаз Юм-Розери в обработанной латуни Л62 увеличилась.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, выполнены рентгеноструктурные исследования фазового состава и параметров твердого раствора нанопористых металлических материалов, полученных методом селективной лазерной сублимации. При проведении исследований использовался рентгеновский дифрактометр общего назначения ДРОН-7. В комплексе с персональным компьютером дифрактометр осуществляет управление и сбор данных для построения рентгенограммы, то есть зависимости скорости счета импульсов от угловых положений блока детектирования и образца для заданных в эксперименте угловых диапазонов. Обеспечивается автоматический вывод информации на периферийные устройства персонального компьютера при построении рентгенограммы.

При исследовании образцов из медно-цинко-вого сплава использовались следующие параметры и режимы дифрактометра ДРОН-7:

• -    излучение Cu–анода (длина волны рентгеновского излучения 1,5406Е);

• -    метод съемки: 2THETA – THETA;

• -    диапазон изменения угла дифракции 2: 30°…165°;

• -    время экспозиция, сек: 2;

• -    шаг съемки, град. = 0,020°.

На дифрактограммах с образцов в исходном состоянии все дифракционные максимумы латуни смещены в сторону меньших по сравнению с медью углов , имеются классические линии ГЦК-структуры, т.е. α -твердого раствора цинка в меди, с параметром кристаллической решетки a = 0,3625 нм. Присутствуют отдельные слабые максимумы электронных соединений – фаз Юм-Розери типа β -латуни (CuZn) и γ -латуни (Cu₅Zn₈) с кубическими кристаллическими структурами, практически исчезающими после дополнительной «мягкой» (в течение 2…3 секунд) электрополировки.

В результате лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов на образцы из медно-цинкового сплава реализован процесс селективной лазерной сублимации с образованием в приповерхностном слое материала нанопо-ристой структуры, параметр решетки α -твердо-го раствора увеличился до значения a = 0,3651… 0,3684 нм. Имеет место небольшое снижение интенсивности линий α -твердого раствора латуни и их уширение (на 10…30 %), что указывает на увеличение количества дефектов кристаллической решетки, в основном дислокаций и дислокационных стенок. Наблюдается некоторое повышение интенсивности линий электронных соединений – фаз Юм-Розери, что указывает на увеличении их концентрации в латуни при лазерном воздействии.

Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что в результате лазерного воздействия с высокой частотой следования импульсов кристаллическая структура латуни Л62 изменилась:

• -    параметр кристаллической ГЦК-решетки α -твердого раствора увеличился от значения a = 0,3625 до a = 0,3651…0,3684 нм;

• -    плотность дефектов кристаллического строения повысилась;

• -    концентрации фаз Юм-Розери в обработанной латуни Л62 увеличилась.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.