Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов
Для лент системы Ti-Zr-Ni, полученных спиннингованием из расплава, исследована зависимость фазового состава, структуры, субструктуры, напряженного состояния и отдельных физических свойств от элементного состава и найдены оптимальные параметры синтеза однофазных икосаэдрических квазикристаллов. Иссле...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2007
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110723 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов / В.М. Ажажа, А.М. Бовда, С.Д. Лавриненко, Л.В. Онищенко, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачёв, М.В. Решетняк, А.Н. Стеценко, Б.А. Савицкий // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 82-87. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-110723 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1107232017-01-07T03:02:43Z Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов Ажажа, В.М. Бовда, А.М. Лавриненко, С.Д. Онищенко, Л.В Малыхин, С.В. Пугачёв, А.Т. Решетняк, М.В Стеценко, А.Н. Савицкий, Б.А. Физика и технология конструкционных материалов Для лент системы Ti-Zr-Ni, полученных спиннингованием из расплава, исследована зависимость фазового состава, структуры, субструктуры, напряженного состояния и отдельных физических свойств от элементного состава и найдены оптимальные параметры синтеза однофазных икосаэдрических квазикристаллов. Исследовано совершенство икосаэдрической структуры и рассчитаны параметр квазикристалличности, размер областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей и величина средних микродеформаций для различных режимов синтеза. Установлено, что в поперечном сечении ленты характеризуются градиентным типом изменения размера зерна, микро- и нанотвердости, модуля Юнга, остаточных напряжений и параметров субструктуры. Для стрічок системи Ti-Zr-Ni, отриманих спінінгуванням із розплаву, досліджена залежність фазового складу, структури, субструктури, напруженого стану та окремих фізичних властивостей від елементного складу і знайдені оптимальні параметри синтезу однофазних ікосаедричних квазікристалів. Досліджено досконалість ікосаедричної структури і розраховані параметр квазікристалічності, розмір областей когерентного розсіяння рентгенівського проміння і величина середніх мікродеформацій для різних режимів синтезу. Встановлено, що стрічки в поперечному перетині характеризуються градієнтним типом зміни розміру зерна, мікро- та нанотвердості, модуля Юнга, залишкових напружень і параметрів субструктури. For the Ti-Zr-Ni ribbons prepared by melt spinning, phase composition, structure, substructure, state of stress and several physical properties were studied as functions of their element compositions; and optimum parameters for single-phase icosahedral quasicrystal synthesis have been found. The icosahedral structure perfection characteristics, namely, quasicrystallinity parameter, X-ray coherence length, and average micro-strain values were determined for different synthesis regimes. Transversal gradient-like distributions of grain size, micro-and nano-hardness, Young modulus, residual stress, and substructure parameters have been revealed in the ribbons. 2007 Article Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов / В.М. Ажажа, А.М. Бовда, С.Д. Лавриненко, Л.В. Онищенко, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачёв, М.В. Решетняк, А.Н. Стеценко, Б.А. Савицкий // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 82-87. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110723 669.17:539.9:539.25 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов |
| spellingShingle |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Ажажа, В.М. Бовда, А.М. Лавриненко, С.Д. Онищенко, Л.В Малыхин, С.В. Пугачёв, А.Т. Решетняк, М.В Стеценко, А.Н. Савицкий, Б.А. Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Для лент системы Ti-Zr-Ni, полученных спиннингованием из расплава, исследована зависимость фазового состава, структуры, субструктуры, напряженного состояния и отдельных физических свойств от элементного состава и найдены оптимальные параметры синтеза однофазных икосаэдрических квазикристаллов. Исследовано совершенство икосаэдрической структуры и рассчитаны параметр квазикристалличности, размер областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей и величина средних микродеформаций для различных режимов синтеза. Установлено, что в поперечном сечении ленты характеризуются градиентным типом изменения размера зерна, микро- и нанотвердости, модуля Юнга, остаточных напряжений и параметров субструктуры. |
| format |
Article |
| author |
Ажажа, В.М. Бовда, А.М. Лавриненко, С.Д. Онищенко, Л.В Малыхин, С.В. Пугачёв, А.Т. Решетняк, М.В Стеценко, А.Н. Савицкий, Б.А. |
| author_facet |
Ажажа, В.М. Бовда, А.М. Лавриненко, С.Д. Онищенко, Л.В Малыхин, С.В. Пугачёв, А.Т. Решетняк, М.В Стеценко, А.Н. Савицкий, Б.А. |
| author_sort |
Ажажа, В.М. |
| title |
Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов |
| title_short |
Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов |
| title_full |
Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов |
| title_fullStr |
Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов |
| title_full_unstemmed |
Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов |
| title_sort |
синтез и стабильность ti-zr-ni-квазикристаллов |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110723 |
| citation_txt |
Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni-квазикристаллов / В.М. Ажажа, А.М. Бовда, С.Д. Лавриненко, Л.В. Онищенко, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачёв, М.В. Решетняк, А.Н. Стеценко, Б.А. Савицкий // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 82-87. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT ažažavm sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT bovdaam sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT lavrinenkosd sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT oniŝenkolv sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT malyhinsv sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT pugačëvat sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT rešetnâkmv sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT stecenkoan sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov AT savickijba sintezistabilʹnostʹtizrnikvazikristallov |
| first_indexed |
2025-07-08T01:02:17Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:02:17Z |
| _version_ |
1837038607718678528 |
| fulltext |
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.82 – 87.
82
УДК 669.17:539.9:539.25
СИНТЕЗ И СТАБИЛЬНОСТЬ Ti-Zr-Ni-КВАЗИКРИСТАЛЛОВ
В.М. Ажажа, А.М. Бовда, С.Д. Лавриненко, Л.В. Онищенко,
С.В. Малыхин*, А.Т. Пугачёв*, М.В. Решетняк*, А.Н. Стеценко*, Б.А. Савицкий*
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина; E-mail: azhazha@kipt.kharkov.ua;
*Национальный технический университет «Харьковский политехнический
институт», г. Харьков, 61002, ул. Фрунзе, 21, Украина;
E-mail: malykhin@kpi.kharkov.ua; тел. (057)707-68-31
Для лент системы Ti-Zr-Ni, полученных спиннингованием из расплава, исследована зависимость
фазового состава, структуры, субструктуры, напряженного состояния и отдельных физических свойств от
элементного состава и найдены оптимальные параметры синтеза однофазных икосаэдрических
квазикристаллов. Исследовано совершенство икосаэдрической структуры и рассчитаны параметр
квазикристалличности, размер областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей и величина средних
микродеформаций для различных режимов синтеза. Установлено, что в поперечном сечении ленты
характеризуются градиентным типом изменения размера зерна, микро- и нанотвердости, модуля Юнга,
остаточных напряжений и параметров субструктуры.
ВВЕДЕНИЕ
Квазикристаллы (QCs), открытые Д. Шехтманом
и др. в 1984 году [1], представляют собой новый
класс вещества в твердом состоянии. Обычно их
получают путем быстрой закалки расплава, или в
ходе твердофазных реакций при длительном отжиге,
или при отжиге аморфных лент, или способом
скоростного осаждения в вакууме и др. [2,3]. Все
способы термодинамически сводятся к
эвтектической квазикристаллизации или
перитектоидному превращению, при котором из
первичных фаз Лавеса и твердого раствора
формируется икосаэдрическая фаза.
Структура QC не может быть сформирована
трансляцией и поворотом классических решеток
Браве. Тем не менее при отсутствии трансляционной
инвариантности она обладает хорошим дальним
позиционным порядком, что позволяет формировать
большое количество узких и интенсивных
максимумов на картинах дифракции. Наибольшее
распространение получили икосаэдрические
квазикристаллы, демонстрирующие поворотную
симметрию пятого порядка. В качестве
обязательного элемента структуры таких
квазикристаллов входят многоатомные кластеры
либо Маккея, либо Бергмана, либо Тсая [4],
построенные из встроенных друг в друга икосаэдров
и додекаэдров.
Практический интерес к квазикристаллам Ti-Zr-
системы, составляющим второй наибольший класс
известных стабильных i-QCs [2], обусловлен их
свойством накапливать водород в твердом растворе
в количестве до 2 Н/Ме [3, 6, 7]. Целью данной
работы являлось экспериментальное изучение
взаимосвязи между параметрами получения Ti-Zr-
Ni-квазикристаллов и их структурным и фазовым
состоянием.
1. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЙ
Исходные сплавы состава Ti41,5Zr41,5Ni17,
Ti45Zr38Ni17 и Ti53Zr27Ni20 получали в дуговой печи с
использованием нерасходуемого вольфрамового
электрода в атмосфере аргона под давлением
10-5 Па. В качестве исходных компонентов были
взяты йодидные Ti и Zr - чистотой 99,9 % и Ni -
электронно-лучевого переплава (99,9 %). Слитки
весом 10…20 г выплавлялись в медном
водоохлаждаемом кристаллизаторе с обязательным
переплавом и переворачиванием 2-3 раза для
обеспечения гомогенизации по всему объему
образца. Для предотвращения загрязнения слитков
активными газами остаточной атмосферы во время
плавки производилась предварительная плавка
циркониевой стружки. Ленточные образцы
толщиной от 20 до 100 мкм получали из повторно
расплавленного слитка способом сверхбыстрой
закалки на быстровращающемся медном
охлаждаемом диске. Над расплавом создавалось
контролируемое избыточное давление специальным
образом очищенных инертных Аr или He. Скорость
закалки ~105 K/c варьировали, изменяя линейную
скорость поверхности закалочного диска в пределах
от 10 до 30 м/с.
Состав образцов контролировали с помощью
рентгенофлюоресцентного и микрозондового
анализа. Структурные исследования выполняли
методами дифракции рентгеновских лучей,
электронографии, просвечивающей электронной
микроскопии и растровой электронной
микроскопии. Присутствие в образцах
кристаллических фаз выявляли путем сравнения
положения экспериментальных отражений 2ϑ и их
интенсивностей с данными картотеки JCPDS [8], а
также с теоретическими штрих-дифрактограммами,
рассчитанными с использованием программного
пакета «PowderCell 2.1». Квазикристаллическую
фазу идентифицировали в соответствии с методикой
[9,10]. Присвоение индексов отражениям выполнено
согласно схеме, предложенной J.W. Каном и др. [9]
в двухиндексном обозначении (N, M). Следует
mailto:Azhazha@kipt.kharkov.ua
подчеркнуть, что индицирование дифракционных
картин от вещества в конденсированном состоянии
представляет собой не просто рутинную операцию,
поскольку благодаря ей в действительности можно
доказать, что структура является периодической или
квазипериодической. Остановимся более подробно
на данном вопросе.
Индицирование икосаэдрических
квазикристаллов основано на том, что обязательным
элементом их структуры является икосаэдр.
Икосаэдр – один из пяти правильных
многогранников, который имеет 20 треугольных
граней, 30 ребер, 12 вершин. В каждой вершине
сходятся 5 ребер. Особенностью структуры
икосаэдра является то, что, переходя к обратному
пространству, вновь получают икосаэдр, вписанный
в гиперкуб с периодом a*6D [3,9,11]. Вводимое
шестимерное пространство для икосаэдрических
структур не противоречит трансляционной
инвариантности. Вектор такой обратной решетки
тоже является шестимерным, и для удобства
математического описания его раскладывают на два
трехмерных вектора Q = Q⎟⎟ + Q⊥, где Q⎟⎟
соответствует компоненте вектора в физическом
пространстве, а Q⊥- компоненте вектора в
перпендикулярном (дополнительном) пространстве.
В косоугольной системе координат, использованной
в [11-13] и основанной на шести направленных в
вершины икосаэдра базисных векторах qi вида
qr 1=(1,τ,0), qr 2=(1,-τ,0), qr 3=(0,1,τ), qr 4=(0,1,-τ),
qr 5=(τ,0,1) и qr 6=(-τ,0,1), индексы отражений от
атомных плоскостей определяются как величины,
обратно пропорциональные отрезкам, отсекаемым
на базисных векторах. Здесь τ = (1+51/2)/2 =
1,618034…- иррациональное число так называемое
"золотое сечение". Прямой решетке с векторами
qr 1, qr 2, qr 3. qr 4, qr 5, qr 6 отвечает обратная решетка
с векторами qr 1
*, qr 2
*, qr 3
*, qr 4
*, qr 5
*, qr 6
*, а
безразмерный вектор обратного пространства
задают в виде Q*= , где n∑
=
6
1
*
i
ii qn i имеют смысл
индексов плоскостей отражения, а индексы
отражений записываются в виде n1, n2, n3, n4, n5, n6.
Связь дифракционного вектора 2sink ϑ
λ=
r
и
вектора обратной решетки записывают в виде
интерференционного уравнения Эвальда типа
0
*Qk d=
rr
, (1)
где d0 - трехмерная константа квазирешетки или так
называемый базисный вектор, который вводится по
аналогии с индицированием кристаллов как
размерный множитель в правой части уравнения. В
качестве d0 используют межплоскостное расстояние
первого отражения (100000), имеющего
наибольшее значение. Длина константы
шестимерной обратной решетки a*6D при этом
связана с d0 соотношением
a*6D⋅ d0= )2(2 τ+ , (2)
Из уравнений (1) и (2) следует, что
межплоскостное расстояние для любого другого
отражения определяется выражением
∑
=
=
6
1
6
i
ii
D
qn
ad
r
. (3)
Из выражения (3) следует, что отношение
квадратов базисного d0 и последующих
межплоскостных расстояний должно быть, как и в
случае кристаллов, равно целому числу - сумме
квадратов индексов 2 2 2 2 2 2
1 2 3 4 5n n n n n n6+ + + + + .
Альтернативой икосаэдрическому служит более
удобный кубический базис, когда три базисных
вектора выбираются вдоль осей второго порядка,
проходящих через середины ребер икосаэдра. В
кубическом обратном пространстве индексы узлов
обратного пространства записываются с помощью
трех индексов (Н, К, L). Эти индексы реально
оказываются иррациональными, так как в них
входит иррациональное число τ, что несколько
неудобно. Практически легче оперировать целыми
числами. Переход к целым индексам выполняют,
записывая индексы (HKL) в виде: h+h'τ, k+k'τ, l+l'τ,
где h, h', k, k', l, l' - шесть целых чисел таких, что
H=h+h'τ , K=k+k'τ , L=l+l'τ . (4)
Связь шестииндексного обозначения n1, n2, n3,
n4, n5, n6) и шестииндексного h/h', k/k', l/l' имеет вид:
h=n1-n4, h'=n2+n5,
k=n3-n6, k'=n1+n4, (5)
l=n2-n5, l'=n3+n6,
и, наоборот,
2n1=h+k', 2n4=-h+k',
2n2=l+h', 2n5=-l+h', (6)
2n3=k+l', 2n6=-k+l'.
В методике индицирования, предложенной в
работе [9] Дж.Каном, используются два индекса (N,
M), вводимых как
N=2
6
2
1
i
i
n
=
∑ = h2+h’2+k2+k’2+l2+l’2 , (7)
M=h’+k’+l’+2(hh’+kk’+ll’). (8)
Квадрат дифракционного вектора Q при этом
составляет
Q2=N+Mτ, (9)
а индексы N и M, кроме того, характеризуют длины
трехмерных векторов, спроецированных
соответственно на физическое пространство Q⎟⎟ и на
перпендикулярное пространство Q⊥, так что длина
вектора 6 ( )
2(2 )
DaQ N Mτ
τ
= ⋅ +
+C
, а длина
6 (
2(2 )
DaQ Nτ τ
τ⊥ = ⋅ −
+
)M . Тогда выражение (3)
для межплоскостного расстояния преобразуется к
виду
MN
a
d D
τ
τ
+
+
=
)2(26 . (10)
В системе индицирования Дж. Кана базовый
вектор отражения (100000) имеет вид (2,4).
Отражение это обычно малой интенсивности и
83
практически не всегда обнаруживается. Его
межплоскостное расстояние можно вычислить,
используя соотношение кратности первого и
второго порядков отражений икосаэдрической
структуры вдоль оси второго порядка вида
, а в дальнейшем использовать для
нахождения индексов остальных отражений. Эта
операция выполняется на том основании, что исходя
из выражений (2), (3), (7) и (10) отношение
квадратов межплоскостного расстояния базового
вектора и любого другого последующего есть целое
число, равное N. Зная N, можно вычислить индекс
М. Как видно из приведенных выше формул,
значения Q
3
)29,18()4,2( τ⋅= dd
0
2 есть величины универсальные и
характеризующие структуру всех икосаэдрических
квазикристаллов и интенсивность их отражений.
Поэтому в данной работе использовались значения
Q2 из работы [9]. При известной длине волны
излучения λ и экспериментально найденных углах
дифракции 2ϑ, пользуясь выражением
22 121sin4 τ
τ
τ
τ
ϑ
λ
+
+
=
+
+
⋅=
MNdMNaq , (11)
определяют параметр квазирешетки аq. При
правильном индицировании дифракционной
картины от квазикристаллической фазы всем
отражениям без пропусков характерно одно
значение параметра квазикристалличности аq, что
подтверждает причастность исследованной
структуры к икосаэдрической.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По данным элементного анализа установлено,
что по большой площади образцов химический
состав с ошибкой не выше ± 0,5 % отвечает
номинальному составу шихты. Однородность
состава лент иллюстрируется изображением
поверхности в излучении рентгеновской
флюоресценции (рис.1). Можно отметить
практически однородную по площади цветовую
гамму. РЭМ-изображение поверхности ленты дано
на рис. 2. Здесь хорошо просматривается зеренная
структура поверхности образцов. Видно, что
отдельные зерна имеют вид пятиугольников или
треугольников, а эти фигуры, как известно,
характерны граням монозерен квазикристаллов.
Типичный результат рентгеновского
дифрактометрического исследования образца,
вырезанного из слитка, показан на рис. 3.
Идентификация фаз показала, что в массивных
образцах, как правило, присутствуют следующие
фазы: фаза Лавеса TiZrNi (L, структурный тип С14),
α-твердый раствор Ti-Zr и квазикристаллическая
икосаэдрическая фаза. Такой результат находится в
хорошем согласии с данными [14-16 ]. Присутствие
указанных фаз в слитке является реальным,
поскольку в различных бинарных и тройных
металлических системах квазикристаллическая
фаза, как правило, формируется в ходе
эвтектического, перитектического или
перитектоидного превращения с участием именно
этих фаз [3,14]. Содержание фаз определяется
исходным элементным составом и полнотой
превращения.
В ленточных образцах согласно результатам
исследования фазовый состав и совершенство
структуры определяются технологическими
параметрами синтеза, такими как состав шихты и
скорость вращения барабана V. Влияние последнего
фактора особенно заметно на примере исследования
закаленных лент состава Ti53Zr33Ni14.
а б
в
Рис. 1. Изображение поверхности лент Ti41,5Zr41,5Ni17
во флюоресцентном излучении:
а - титана; б – циркония; в – никеля
Данные дифрактометрических исследований
таких образцов приведены на рис.4. Из рисунка
видно, как изменение скорости существенно
изменяет вид дифракционной картины: изменяется
количество, положение, интенсивность и ширина
дифракционных максимумов.
Дифрактограммам от лент, полученных при V=30
м⋅с-1, характерен триплет линий на малых углах, а
также наличие слабых размытых линий как со
стороны малых, так и со стороны больших углов
дифракции по отношению к основным линиям.
Моделирование дифракционной картины с
помощью программы Powder Cell 2.1 обнаруживает
отличное совпадение положения отражений
экспериментальной и штрих-дифрактограммы для
кристаллического 1/1 аппроксиманта (W-фазы) при
периоде решетки aW ≈1, 416 нм. Данные базиса
структуры 1/1 аппроксиманта взяты в [5]. Отметим,
что полученное значение близко, но несколько
меньше приведенного значения 1,43 нм для состава
Ti49Zr35Ni16.
84
а б
в г
Рис.2. РЭМ-изображения быстрозакаленных лент состава Ti41,5Zr41,5Ni17 , полученные от свободной
поверхности (а) и ( б) и от поперечного сечения образцов с V=15 м·с-1 (в) и V=25 м·с-1 (г).
Контактировавшая сторона справа
Рис.3. Участок дифрактограммы массивного
образца состава Ti45Zr38Ni17, снятой в
фильтрованном излучении медного анода
30 40 50 60 70 80 90
i(2
8,
44
)
i(2
6,
41
)
i(7
2,
11
6)
i(7
0,
11
3)
i(5
2,
84
)
i(2
0,
32
)
i(1
8,
29
)
W
(1
0.
65
)
W
(1
0.
35
)
W
(1
1.
12
)
W
(5
43
)
W
(7
65
)
W
(8
53
)
W
(5
32
)
w
(6
00
)
2
1ин
те
нс
ив
но
ст
ь,
о
тн
.е
д.
2ϑ, град.
W
(5
03
)
34 36 38 40 42 44 46 48
(2
8,
44
)i
(2
6,
41
)i
(2
0,
32
)i
(1
8,
29
)i
(1
04
)L
(2
01
)L(1
12
)L
(2
00
)L
(1
03
)L
(1
10
)L
ин
те
нс
ив
но
ст
ь,
о
тн
.е
д.
2
Рис.4. Результаты рентгеновских дифракционных
исследований, выполненных в Сu-Kα -излучении, лент
состава Ti53Zr33Ni14 , полученных при линейной
скорости обращения барабана 30 м/c (1) и 20 м/c
(2)
В равновесном состоянии икосаэдрическая фаза
и аппроксимант согласно данным работ [14]
стабильны в фазовой области размером до 10 ат.%
Ni. Последнее предполагает варьирование периодов
решеток aW и aq в достаточно широких пределах.
Несколько отличными оказались экспериментальная
и расчетная интенсивность отражений. Так
особенно завышена интенсивность отражения (600)
W-фазы по сравнению с её расчетным значением.
Противоречие удается исключить, если
предположить, что помимо низкотемпературной W-
фазы в лентах имеется еще фаза, представляющая
собой α-Ti(Zr) твердый раствор, получающийся из
первично солидифицирующейся фазы β-Ti(Zr),
отражение от которой накладываются на (600) W-
фазы.
85
30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
б
LLL
L
i (
28
,4
4)
i (
26
,4
1)
i (
18
,2
9)
i (
20
,3
2)
ин
те
нс
ив
но
ст
ь,
о
тн
.е
д.
2ϑ, град.
L
а
Рис. 5. Участок рентгеновских дифрактограмм для лент
состава Ti45Zr38Ni17, полученных при скоростях вращения
барабана V= 20 м/c (а) и V=25 м/c (б)
Увеличение скорости вращения барабана до
30 м⋅с-1 приводит к существенному ослаблению
отражений твердого раствора и смещению его в
сторону меньших углов. Вид дифрактограммы
становится типичным для квазикристалла Ti-Zr-Ni-
системы. Интенсивность линий QCs существенно
возрастает, что особенно заметно по линии с
индексами (20,32). Малоинтенсивные "лишние"
линии исчезают, а весь спектр на рис. 4 можно
описать, как принадлежащий икосаэдрической фазе
с параметром квазикристалличности аq =
0,5110…0,5120 нм, что в точности соответствует
данным [11]. При этом, однако, несколько
увеличивается полуширина (20,32) : от (6…8)⋅10-3 до
(13…14)⋅10-3 рад. Мы предполагаем, что
наблюдаемое увеличение полуширины может быть
связано с наложением близкорасположенных линий
икосаэдрического квазикристалла и его 1/1
кристалла-аппроксиманта. Таким образом, можно
заключить, что с увеличением скорости закалки мы
вместо (W+α)-фазового состава получаем (i+W+
следы α)-фазовый состав.
Из анализа дифракционных картин, приведенных
на рис.5, следует, что для лент сплава Ti45Zr38Ni17
основными фазами являются икосаэдрическая фаза
и фаза Лавеса (С14). Можно видеть, что увеличение
скорости вращения барабана от 20 до 25 м⋅с-1
приводит к существенному понижению
интенсивности линий, а значит, и содержания фазы
Лавеса. При этом также наблюдается уменьшение
ширины линий квазикристаллической фазы от
9,8⋅10-3 до 5⋅10-3 рад, что примерно соответствует
увеличению размера областей когерентного
рассеяния от 0,9 до 2 мкм и свидетельствует о
совершенствовании структуры
квазикристаллической фазы. Линии QC при этом
смещаются в сторону меньших углов дифракции,
следовательно, параметр квазикристалличности аq
растет от 0,5150 до 0,5210 нм. Кроме того,
наблюдается изменение соотношения
интенсивностей линий
(18,29) и (20,32), что свидетельствует о
формировании текстуры. Угол её рассеяния для
разных образцов определен в пределах от 2 до 10
град.
Таким образом, мы отмечаем, что при
неизменном составе увеличение скорости закалки
приводит к повышению содержания
икосаэдрической фазы и снижению количества
первично солидифицирующихся фаз: фазы Лавеса и
твердого раствора β-Ti(Zr), переходящего при
низких температурах в α-Ti(Zr). Длительные отжиги
лент рассмотренных составов в безмасляном
вакууме при давлении не хуже 10-6 Па и
температурах 727 и 777 К, но не выше 900 К также
способствовали повышению содержания
икосаэдрической фазы.
При составе Ti41,5Zr41,5Ni17 в лентах
рентгенографически отмечается присутствие только
икосаэдрической фазы. Типичная дифрактограмма
приведена на рис. 6. Из рисунка видно, что все
отражения без пропусков индицируются как
принадлежащие икосаэдрической фазе с
примитивной решеткой и одним значением
параметра квазикристалличности аq. Варьирование
скоростью вращения закалочного барабана фазовый
состав не изменяет. Исследования показали, что при
этом изменяются напряженное состояние, структура
и субструктура образцов.
86
20 40 60 80 100 120
(92
,14
8)
(68
,10
8)
(12
0,1
92
)
(10
4,1
68
)
(6,
9) (12
,16
)
(12
4,2
00
)
(13
6,2
20
)
(82
,12
9) (10
2,1
65
)
(72
,11
6)
(52
,84
)
(36
,56
)
(26
,41
)
(28
,44
)
(20
,32
)
(18
,29
)
inte
nsi
ty,
arb
.un
its.
2Θ, degrees.
(20
,32
)
(18
,29
)
И
нт
ен
си
вн
ос
ть
, о
тн
.е
д.
2Θ, град.
Рис.6 Рентгеновская дифрактограмма ленты соединения Ti41,5 Zr41,5 Ni17 , полученной методом
солидификации при скорости обращения барабана 19 м/c
Согласно данным рентгеновской тензометрии в лентах
фиксируются остаточные макронапряжения,
уравновешивающиеся в поперечном сечении образцов, а
именно: сжимающие со стороны, контактировавшей с
поверхностью охлаждающего барабана, и растягивающие
на свободной поверхности лент. Величина напряжений
минимальна при скорости V=10 м·с-1 и максимальна (~140
МПа) при V=19,5 м·с -1. Установлено, что характер
распределения напряжений по сечению лент зависит от
скорости закалки. Для этих образцов выявлен также
градиентный характер изменения структуры и ее
совершенства в поперечном сечении, количественно
определяемый скоростью V. Так, с контактировавшей
стороны величина параметра аq практически не зависит от
V и составляет 0,5200…0,5205 нм, в то время как с
противоположной стороны параметр с ростом скорости от
10 до 25 м·с-1 линейно растет от 0,5200 до 0,5223 нм.
Средний размер областей когерентного рассеяния (ОКР) с
контактировавшей стороны при всех V составляет
примерно 45 нм. Со свободной стороны размер ОКР
больше и с увеличением скорости V линейно возрастает от
80 до 150 нм. Отметим, что (см. рис.2) со свободной
стороны лент больше и размер зерна. После проведения
испытаний на механические свойства было установлено,
что изменение микротвердости, нанотвердости и модуля
Юнга по сечению лент коррелирует с изменением
структурных характеристик, но их зависимости от
скорости вращения барабана являются немонотонными.
ВЫВОДЫ
Исследована зависимость фазового состава, структуры,
напряженного состояния и отдельных физических свойств
быстрозакаленных лент системы Ti-Zr-Ni от элементного
состава и найдены оптимальные параметры синтеза
однофазных икосаэдрических квазикристаллов (i-фазы).
Установлено, что чем меньше содержание примесных
фаз в лентах, тем совершеннее структура
квазикристаллической фазы, что проявляется в увеличении
интенсивности и уменьшении ширины её отражений, а
также увеличении параметра квазикристалличности aq и
размера областей когерентного рассеяния.
Показано, что получаемые ленты в нормальном к
поверхности направлении характеризуются градиентным
типом изменения размера зерна, микро- и нанотвердости,
модуля Юнга, остаточных напряжений, микродеформаций
и размера областей когерентного рассеяния.
ЛИТЕРАТУРА
1. D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias and J.W. Сahn. // Phys.
Rev. Lett. 1984, v. 53, р.1951.
2. C. Janot. Quasicrystals. Oxford: Clarendon press, 1994,
409 p.
3. Z.M. Stadnik. Physical properties of quasicrystals: Berlin:
Springer, 1999, 365 р.
4. Y. Kaneko, Y. Arichika, Ts. Ishimasa. Icosahedral quasicrys-
tal in annealed Zn-Mg-Sc alloys // Philosophical Magazine
Letters. 2001, v. 81, №11, p. 777-787.
5. W. J. Kim, P. C. Gibbons, K. F. Kelton, W. B. Yelon. Struc-
tural refinement of 1/1 bcc approximants to quasicrys-
tals:Bergman-type W TiZrNi – and Mackay-type M — TiZ-
rFe // Physical review B. 1998, v. 58, №5, p. 2578-2585.
6. J.P. Davis et al. // Mater.Sci. Engng. 2000, v. A294-A296,
N15, p. 104-107.
7. R. Nicula et al. // Eur.Phys. J.B. 1998, v. 3, N 2, p. 1-5.
8. Powder Diffraction File. Swarthmore, Pennsylvania /
Ed.JCPDS, 1977-1988.
9. J. Cahn, D. Shechtman, D. Grafias. Indexing of icosahedral
quasiperiodic crystals // J.Mat.Res. 1986, v.1, №1, p. 30-54.
10. P. Lu, K. Deffeyes, P. Steinhard and N. Yao. Identify-
ing and indexing icosaherdral quasicrystals from powder
diffraction patterns // Phys.Rew.Lett. 2001, v.87, №27,
p. 275507-1-275507-4.
11. S. Ebalard, F. Spaepen. The body-centered-cubic-type
icosahedral reciprocal lattice of the Al-Cu-Fe quasi-periodic
crystal // J.Mater.Res. 1989, v.4, №1, p.39-43.
12. P.A. Bancel. Struicture of rapidly quenced Al-Mn // Physi-
cal review letter . 1985, v.54, № 22, p. 2422-2425.
13. V. Elser and C. Heuley. Crystal and quasicrystal structure-
sin in Al-Mn-Si allogs // Physical Review Letters. 1985, v.55,
№26, p. 115-1117.
14. K.F. Kelton, A.K. Gangopadhyay, G.W. Lee, L. Hannet et
al. X-ray and electrostatic levitation undercooling studies in
Ti–Zr–Ni quasicrystal forming alloys // Journal of Non-
Crystalline Solids. 2002, v. 312–314, p. 305–308.
15. R.M. Stroud, K.F. Kelton, S.T. Misture. High temperature
x-ray and calorimetric studies of phasetransformations in
87
quasicryslline Ti-Zr-Ni alloys // J. Mater.Res. 1997, v.12,
N. 2, p. 434-438.
16. J.B. Qiang, Y.M. Wang, D.H. Wang et al. Quasicrystals in
the Ti-Zr-Ni alloy system // Journal of Non-Crystalline Sol-
ids. 2004, v. 334–335, p. 223–227.
СИНТЕЗ І СТАБІЛЬНІСТЬ Ti-Zr-Ni-КВАЗІКРИСТАЛІВ
В.М. Ажажа, А.М. Бовда, С.Д. Лавриненко, Л.В. Онищенко,
С.В. Малихін, А.Т. Пугачов, М.В. Решетняк, О.М. Стеценко, Б.О. Савицький
Для стрічок системи Ti-Zr-Ni, отриманих спінінгуванням із розплаву, досліджена залежність фазового складу, структури, субструктури,
напруженого стану та окремих фізичних властивостей від елементного складу і знайдені оптимальні параметри синтезу однофазних ікосаедричних
квазікристалів. Досліджено досконалість ікосаедричної структури і розраховані параметр квазікристалічності, розмір областей когерентного розсіяння
рентгенівського проміння і величина середніх мікродеформацій для різних режимів синтезу. Встановлено, що стрічки в поперечному перетині
характеризуються градієнтним типом зміни розміру зерна, мікро- та нанотвердості, модуля Юнга, залишкових напружень і параметрів субструктури.
SYNTHESIS AND STABILITY OF Ti-Zr-Ni QUASICRYSTALS
V.М. Azhazha, А.М. Bovda, S.D. Lavrinenko, L.V. Onischenko,
S.V. Malykhin, А.T. Pugachov, M.V. Reshetnyak, О.М. Stetsenko, B.А. Savitskiy
For the Ti-Zr-Ni ribbons prepared by melt spinning, phase composition, structure, substructure, state of stress and several physical properties were studied
as functions of their element compositions; and optimum parameters for single-phase icosahedral quasicrystal synthesis have been found. The icosahedral
structure perfection characteristics, namely, quasicrystallinity parameter, X-ray coherence length, and average micro-strain values were determined for different
synthesis regimes. Transversal gradient-like distributions of grain size, micro-and nano-hardness, Young modulus, residual stress, and substructure parameters
have been revealed in the ribbons.
88
|