Влияние лазерного излучения на изменение свойств объемных аморфных металлических сплавов на основе циркония и палладия

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ И ПАЛЛАДИЯ

© В.А. Федоров, А.В. Яковлев, Т.Н. Плужникова, П.М. Кузнецов, А.А. Шлыкова

Ключевые слова: лазерное излучение; аморфные сплавы; индентирование; кристаллизация. Исследованы морфологические особенности зон воздействия лазерного излучения, формируемых на поверхности объемных металлических стекол. Методом наноиндентирования оценено изменение свойств сплавов, вызванное импульсным нагревом при облучении.

1. ВВЕДЕНИЕ

В течение последнего десятилетия идут интенсивные исследования [1-6] нового класса аморфных материалов - т. н. объемных аморфных металлических сплавов (АМС) или металлических стекол (МС). Среди объемных МС [7-8] особенный интерес представляют сплавы на основе 7г, т. к. они имеют очень широкую область переохлажденной жидкости, которая для ряда сплавов превышает 100 К. Эти сплавы интересны в связи с возможностью получения в них при термической обработке нанокристаллической структуры [9]. Сплавы на основе палладия обладают высокой стойкостью к повреждениям, сочетают твердость, присущую стеклам, с характерной для металлов устойчивостью к образованию трещин. Широкому применению этих стекол в технике мешает высокая стоимость палладия [10].

Комплексное исследование закономерностей эволюции структуры и механических свойств, объемных МС, подвергнутых термической обработке, является актуальным направлением прикладных и фундаментальных исследований. Оценка механических свойств МС в зонах локального воздействия, в частности, импульсов когерентного излучения, является практически значимой задачей в связи с тем, что лазерное излучение является одним из способов термической обработки.

Цель работы: установление механических свойств объемных МС на основе Р(1 и 7г, а также исследование морфологических особенностей зон, формируемых в результате воздействия лазерного излучения.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводили на объемных МС на основе циркония и палладия, а также на монокристаллическом цирконии. В экспериментах использовали образцы с размерами 2x5x4 мм системы 7г-Т1-Си-№-А1 (52,5 % 7г) и системы Ра-Си-№-Р (40 % Рф.

В качестве источника лазерного излучения использовали установку «ЛТА-4-1» с активным элементом на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (Ш:УАО), с длиной волны излучения X = = 1064 нм, позволяющей получать импульсы различ-

ных форм и энергий. Энергию и время воздействия лазерного импульса определяли при помощи измерителя энергии и мощности ИЭМ-4-1. Длительность импульсов ~ 2-4 мс. Использовали импульсы с энергией 0,6 Дж/мм2. Одна сторона образцов была приготовлена как металлографический шлиф. Изменение свойств материала после воздействия лазерного излучения определяли путем измерения нанотвердости на установке Nano Indenter G200 алмазным индентором Берковича с радиусом притупления вершины R = 20 нм в режиме нагружения с постоянной скоростью относительной деформации 0,1 с-1. Амплитуда (2 нм) и частота (45 Гц) гармонической составляющей нагрузки поддерживались постоянными. Морфологические особенности поверхностей и элементный состав определялся с помощью растрового ионно-электронного микроскопа Quanta 200 3D, тепловые свойства МС исследовались методами рентгенографии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Измерения тепловых свойств МС проводились на совмещенном ТГА/ДСК/ДТА анализаторе SDT Q600 при скорости нагрева 20 град./мин. Калориметрические измерения проводились в атмосфере аргона. Рентгеновские исследования были выполнены на дифрактометре Rigaku Ultima IV с использованием СиКа-излучения, фильтром служил никель1.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В результате воздействия сфокусированного импульсного лазерного излучения на поверхности объемных МС формируются локальные зоны облученного материала (рис. 1), имеющие для каждого из образцов характерные морфологические особенности.

В объемных АМС на основе Zr зона воздействия представляет собой «розетку», состоящую из радиаль-но растущих кристаллов, образовавшихся в централь ной области оплавления. Размеры зон воздействия изменяются в зависимости от энергии импульса, лежат в

1 Исследования проведены с использованием оборудова-

ния Центра коллективного пользования научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериа-лов».

1776

Рис. 1. Морфология зон воздействия лазерного излучения: а) МС на основе 2г; б) МС на основе Р^ 1 - зона оплавления; 2 - зона термического влияния. Темными стрелками показано начало и направление индентирования

интервале от 0,4 до 0,6 мм. Выделяются зона оплавления и зона термического влияния. За границей зоны оплавления наблюдается кристаллизация, не связанная с расплавлением материала (рис. 1а). Температура поверхности в центре зоны воздействия излучения не ниже температуры плавления (~ 1855 °С). Область, расположенная за границей оплавления, прогревается не ниже температуры кристаллизации, которая составляет, по данным ДСК исследований, 450 °С.

Рельеф кратера на поверхности аморфного сплава на основе 7г формируется благодаря росту кристаллов циркония. Это подтверждается облучением поверхности монокристаллического циркония (рис. 2). На рис. 2 видна морфология кратера монокристаллического циркония, которая аналогична морфологии кратера на рис. 1а.

Рельеф, формируемый на поверхности, также связан с объемным эффектом при кристаллизации. Это подтверждается дилатометрическими исследованиями. Проведенные дилатометрические исследования показали, что кристаллизация образца сплава на основе Zr происходит в две стадии. Объемный эффект, соответствующий второй стадии превращения, больше объемного эффекта на первой стадии. Полный объемный эффект кристаллизации составляет около 2 %, что является типичной величиной для кристаллизации металлических стекол [11].

Наличие кристаллизации в зоне воздействия лазерного излучения подтверждается рентгенографическими исследованиями. Результаты исследований представлены на рис. 3.

В центре области воздействия излучения в сплаве на основе Р(1 структурных изменений не наблюдается (рис. 1б). Зона воздействия представляет собой вид «лунного кратера». Зона термического влияния металлографически не выявляется. При увеличении количества импульсов в сплавах на основе Zr наблюдается рост кристаллов, в сплаве на основе Pd зона воздействия практически не изменяется.

В разных точках зон воздействия излучения был определен элементный состав, который показывает, что в центре зоны воздействия в сплаве на основе 7г увеличивается содержание кислорода ~ в 4 раза в сравнении с исходным материалом. В сплавах на основе Р(1 изменение элементного состава практически не происходит.

Рис. 2. Вид кратера монокристаллического циркония после воздействия лазерного излучения

Обработанный

10 20 30 40 50 60 70 80

2ТЬе1а, с)ед

Рис. 3. Дифрактограммы поверхности сплава на основе Zr: зоны воздействия лазерного излучения - обработанный и зоны, не подверженной воздействию, - необработанный. Стрелками показаны: 1 - пики, связанные с кристаллизацией; 2 - пики, связанные с образованием окислов циркония

1777

Для исследования механических свойств в зоне воздействия лазерного излучения, образующейся на поверхности объемных МС, в сравнении со свойствами поверхности, находящейся в исходном состоянии, был использован метод наноиндентирования.

Диаграммы Р - к для сплава на основе Zr до облучения представлены на рис 4а. На диаграммах можно выделить ряд характерных участков: монотонного роста к с увеличением нагрузки и ползучести. Диаграмма, полученная внутри зоны воздействия излучения, отличается от Р - к диаграммы для исходного материала как по величине Р, так и по к (рис. 4б). Вдавливание индентора происходит на одинаковую глубину при меньшей нагрузке ~ 30 %.

На рис. 5 приведены диаграммы Р - к для сплава на основе Р(1 внутри зоны и за ее пределами, которые практически подобны. Можно также выделить ряд характерных участков: монотонного роста к с увеличением нагрузки, скачкообразного приращения к.

По результатам экспериментов для исследуемых сплавов были рассчитаны значения нанотвердости и модуля Юнга внутри зоны воздействия лазерного из-

лучения и в исходном состоянии. Получено, что в центре зоны воздействия наблюдается уменьшение нано-твердости и модуля Юнга.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом.

В сплаве на основе 7г уменьшение нанотвердости и модуля Юнга связано со структурным превращением металлическое стекло ^ ГПУ кристалл. Рост ГПУ кристаллов Zr идет преимущественно вдоль оси с, которая ориентирована параллельно плоскости наблюдения. В связи с этим деформация кристаллов осуществляется по плоскости базиса (0001) - плоскости легкого скольжения. Этим обусловлены низкие значения нанотвер-дости и модуля Юнга в аморфном сплаве. Согласно данным об элементном составе сплава на основе Zr в зоне воздействия увеличивается содержание кислорода, с которым цирконий активно реагирует, образуя труднорастворимые окислы, последние выступают в роли центров кристаллизации.

а)

б)

Рис. 4. Р - к диаграммы для сплава на основе 2г: а) в исходном состоянии; б) внутри зоны воздействия излучения; Р - нагрузка, к -глубина вдавливания, стрелками отмечены участки скачков деформации

а)

б)

Рис. 5. Р - к диаграммы индентирования сплава на основе Р± а) в исходном состоянии; б) внутри зоны воздействия излучения; стрелками отмечены участки скачкообразного приращения к

1778

а) б)

Рис. 6. Кристаллизация на поверхности зоны термического влияния

Исследования зоны воздействия лазерного излучения, проведенные с помощью зондового микроскопа (рис. 6), позволили определить линейную плотность центров кристаллизации, которая лежит в пределах от 900 до 2100 см-1.

В сплаве на основе палладия в зоне воздействия лазерного излучения идут процессы вторичного стеклования. Это обусловлено высокими значениями коэффициента вязкости сплава на основе Pd и коэффициента теплопроводности [12]. Первый затрудняет рост кристаллов, второй - обеспечивает быстрое рассеяние тепловой энергии в образце. Снижение характеристик Е и Н может быть связано с уменьшением закалочных напряжений в зоне воздействия излучения.

5. ВЫВОДЫ

Таким образом, установлено, что вследствие действия лазерного импульса, приводящего к локальному нагреву материала, имеет место изменение механических характеристик в зоне воздействия. Вид зон воздействия излучения в этих случаях различен, что обусловлено различием тепловых свойств материалов. В центре зоны воздействия на поверхности сплава на основе циркония идет направленная кристаллизация, кристаллы растут от центра к периферии, зона воздействия на поверхности сплава на основе палладия представляет собой вид «лунного кратера», отсутствует зона термического влияния, что обусловлено высокой вязкостью сплава, препятствующей процессам кристаллизации. Морфология зон воздействия на поверхности циркониевого сплава зависит от формы и количества импульсов лазерного воздействия. Рельеф, формируемый в результате лазерного воздействия на поверхности палладиевого сплава, от формы и количества лазерных импульсов не зависит.

Методом наноиндентирования показано, что в зоне воздействия лазерного излучения происходит изменение величин нанотвердости и модуля упругости объемных МС на основе циркония и палладия по сравнению с исходным материалом. В сплаве на основе 7г уменьшение нанотвердости и модуля Юнга связано со структурным превращением металлическое стекло ^

ГПУ кристалл. В сплаве на основе палладия уменьшение связано с процессами вторичного стеклования, идущими на поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берлев А.Е., Ота М., Хоник В.А. // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2003. Т. 8. Вып. 4. С. 522-524.

2. Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л., Хоник В.А. // ФТТ. 2005. Т. 47. С. 395.

3. Кобелев Н.П., Колыванов Е.Л., Хоник В.А. // ФТТ. 2005. Т. 47. С. 400.

4. Федоров В.А., Яковлев А.В., Плужникова Т.Н., Капустин А.Н. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2009. № 6. С. 87.

5. Яковлев А.В., Чернова И.В., Федоров В.А., Барышев Г.А. // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2009. Т. 14. Вып. 1. С. 211-212.

6. Яковлев А.В., Плужникова Т.Н., Черемисина Ю.В., Федоров В.А., Тарасова И.Д. // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 1105-1107.

7. Ковнеристый Ю.К. Объемно-аморфизующиеся металлические сплавы. М.: Наука, 1999.

8. Глезер А.М., Пермякова И.Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006.

9. Абросимова Г.Е., Аронин А.С., Матвеев Д.В., Молоканов В.В. // ФТТ. 2004. Т. 46. С. 2119.

10. Demetriou M.D., Launey M.E., Garrett G., Schramm J.P., Hofmann D.C., Johnson W.L., Ritchie R.O. A damage-tolerant glass // Nature Materials. 2011. doi:10.1038/nmat2930.

11. Бакай А.С., Бакай С.А., Михайловский И.М., Неклюдов И.М., Сто-ев П.И., Махт БакайМ.П. О природе эффекта Кайзера в металлических стеклах // Письма в ЖЭТФ. 2002. Т. 76. С. 254.

12. Таблицы физических величин: справочник / под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-42-03206.

Поступила в редакцию 5 сентября 2015 г.

Fedorov V.A., Yakovlev A.V., Pluzhnikova T.N., Kuznet-sov P.M., Shlykova A.A. EFFECTS OF LASER RADIATION ON CHANGING PROPERTIES OF BULK AMORPHOUS METALIC ALLOYS BASED ON ZIRCONIUM AND PALLADIUM

Morphological features of laser irradiation zones formed on the surface of the bulk metallic glasses are reseached. Nanoin-

1779

dentation method is used to estimate the change properties of Key words: laser radiation; amorphous alloys; indentation;

alloys caused by the pulsed heating. crystallization.

Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, е-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, e-mail: feodo-rov@tsu.tmb.ru

Яковлев Алексей Владимирович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Yakovlev Aleksey Vladimirovich, Tambov State University of G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodo-rov@tsu.tmb.ru

Плужникова Татьяна Николаевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики; e-mail: plushnik@mail.ru

Pluzhnikova Tatyana Nikolaevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: plushnik@mail.ru

Кузнецов Петр Михайлович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, ассистент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Kuznetsov Petr Mikhaylovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Assistant of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Шлыкова Александра Александровна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Shlykova Aleksandra Aleksandrovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master's Degree, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

1780