Рентгеноструктурный анализ как контроль качества нитридов и композиций на их основе

6. Экспериментальная оценка тест-системы для исследования острой токсичности различных загрязнителей окружающей среды в лабораторных условиях/ Амосова А. А., Амосов Е.А., Козулина А.С.// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 5-2. С. 1042-1044.

7. Моделирование размола порошка металла/ Амосов Е.А., Марков Ю.М.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А. А Горохова. Курск, 2011. С. 11-14.

8. Оценка размера частиц нанопорошка/ Амосов Е.А.// В сборнике: Техника и технологии: пути инновационного развития, материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2011. С. 22-24. Проектирование дисковых фрез с конструктивной радиальной подачей для обработки профильных валов/ Куц В.В., Мальнева Ю.А., Горохов А. А.// Курск, 2015.

9. Моделирование номинальной поверхности тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А. А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 74-80.

10. Моделирование профиля производящей поверхности набора фрез, предназначенного для обработки тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 81-87.

11. Синтез вариантов схем установки сменных многогранных пластин относительно профиля производящей поверхности фасонных фрез/ Куц О.Г., Горохов А.А.// В сборнике: ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-практической конференции в 3-х томах. Ответственный редактор: Горохов А.А.. Курск, 2015. С. 122-130.

12. Новый способ обработки валов с равноосным контуром дисковой фрезой с радиальной конструктивной подачей/ Мальнева Ю.А., Куц В.В., Горохов А.А.// В сборнике: Молодежь и XXI век - 2015 материалы V Международной молодежной научной конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2015. С. 142-145.

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КАК КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА НИТРИДОВ И КОМПОЗИЦИЙ НА ИХ ОСНОВЕ Шигаева Анастасия Сергеевна, студент Климова Анастасия Евгеньевна, студент (е-mail: arvaka@yandex.ru) Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет,

г.Самара, Россия

В нашей статье мы рассмотрим подробнее более современные методы рентгеноструктурного анализа.

Рентгеновские лучи, открытые в 1895 г. В. Рентгеном - это электромагнитные колебания весьма малой длины волны, сравнимой с атомными размерами, возникающими при воздействии на вещество быстрыми электронами.

Их волновая природа установлена в 1912 г. немецкими физиками М.Лауэ, В.Фридрихом и П.Книппингом, открывшими явление дифракции

рентгеновских лучей на атомной решётке кристаллов. Направив узкий пучок рентгеновских лучей на неподвижный кристалл, они зарегистрировали на помещённой за кристаллом фотопластинке дифракционную картину, которая состояла из большого числа закономерно расположенных пятен. Каждое пятно - след дифракционного луча, рассеянного кристаллом. Рентгенограмма, полученная таким методом носит название лауэграммы. Это открытие явилось основой рентгеноструктурного анализа.

Теоретическая часть. Рентгеновский структурный анализ —этометоды исследования структуры вещества по распределению в пространстве и ин-тенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. ( Рентгеновские лучи - электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область междугамма и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10-12 до 10-5 см).

Рентгеноструктурный анализ наряду с нейтронографией и электронографией является дифракционным структурным методом. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей.

Дифракция рентгеновских лучей - рассеяние рентгеновских лучей кристаллами (или молекулами жидкостей и газов), при котором из начального пучка лучей возникают вторичные отклонённые пучки той же длины волны, появившиеся в результате взаимодействия первичных рентгеновских лучей с электронами вещества; направление и интенсивность вторичных пучков зависят от строения рассеивающего объекта. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны 1А , т. е. порядка размеров атомов. Методами рент-геноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно этот метод применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.

Нашей задачей является определение состава порошка нитрида титана с помощью рентгеноструктурного анализа.

Описание исследования. Для расчетов нам понадобится условие

Брэгга — Вульфа, определяющее положение интерференционных максимумов рентгеновских лучей, рассеянных кристаллом без изменения длины волны. Согласно теории Брэгга — Вульфа, максимумы возникают при отражении рентгеновских лучей от системы параллельных кристаллографических плоскостей, когда лучи, отражённые разными плоскостями этой системы, имеют разность хода, равную целому числу длин волн. Условие Брега-Вульфа можно записать в следующем виде:

2й&т0 = тк

где < — межплоскостное расстояние, 0 — угол скольжения, т. е. угол между отражающей плоскостью и падающим лучом, к — длина волны рентгеновского излучения и ш — так называемый, порядок отражения, т. е. положительное целое число.

В ходе нашего исследования использовались следующие параметры напыления: коэффициент заполнения ствола 60%, отношение кислород/топливо - Коэффициент заполнения был выбран из соображений фиксации сажевыделения именно во фронте детонации, которая проходит по всему объему газовой смеси. Выбранное соотношение кислород- топливо обусловлено стабильным режимом детонации, так как при повышении доли топлива детонационный режим становится неустойчивым.

В ходе экспериментальных исследований были проанализированы образцы сажи, образуемой в канале ствола путем получения следовых отпечатков. При этом пластинки металлической фольги размещали на внутренней поверхности средней части ствола (место ввода порошка). Далее совершались выстрелы ацетилен кислородной смесью в восстановительном режиме.

Используя рассчитанное соотношение топлива и окислителя в технологии карбидизации титана по уравнению:

Т + С = НС

в процессе детонационного напыления, можно записать суммарное итоговое уравнение (если считать, что весь углерод, образующийся при неполном сгорании ацетилена, полностью будет идти на карбидизацию титана):

С2Н2 + О2 + Т = СО + Н2О + НС

Энерговыделение данной реакции ДН = ^Нпрод. - ХНреаг. = -788,25 кДж, то есть реакция карбидизации титана в условиях детонации ацетилен-кислородной смеси будет экзотермическая. Количество по массе реагирующих веществ для данной реакции определяли, задаваясь известным количеством газовой смеси на основе объема ствола, равного произведению коэффициента заполнения ствола на объем ствола и известных молярных масс компонентов. В результате была определена масса титанового порошка для полного протекания реакции карбидизации ш(Т1) = 0,0214 г. Объем требуемого количества титана равен У(Т1) = ш(Т1) / рТ1 = 0,0047 см3 . Это значение определяет геометрические размеры челнока дозатора для ввода порошка в ствол детонационной установки. В экспериментах использовался челнок дозатора с лункой для порошка прямоугольной формы с размерами сторон: ширина 8 мм, длина 1,5 мм и стандартной глубина 0,4 мм. Для повышения производительности целесообразно смещать реакцию горения в сторону восстановительного пламени, повышая выход углерода. Однако это требует тщательных расчетов тепловыделения для выполнения условий плавления используемого порошка титана. В эксперименте выполнялось 1000 выстрелов порошком титана по стальному образцу. На рис. 2 представлен рентгенофазовый анализ полученного покрытия. Структура

полученного покрытия представлена на рис. 3. В полученном покрытии присутствуют кристаллические фазы карбида титана. Увеличение выхода карбида титана можно обеспечить путем повышения температуры реаги-

рующих компонентов.

1С: пом -. 14Ш I ¡Ь.П'С Патл : (11/10/1} 1.1: ЙГ ЯЬ«р : 1-011* I лп Тппи: П.бШ  1ш И.ОДО  80.ДМ' Рад*. ЬМД Д. 1м ['/Мд|_

КП.

41

ЦкгЬ. [СР5]

ьд. ¡¡а>и от; и^]

-1-1-1-1-1-1-1-1—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—

31. С' 33.0 О 10.0 ¡0.0 34.0 £6.9 Й1.С Н.1 79.0 Т|.п 79.0

Рис. 2. Дифрактограмма рентгенофазового анализа полученного покрытия в результате синтеза карбида титана на стальной подложке

Рис. 3. Структура полученного покрытия в результате синтеза карбида титана при разном увеличении

Для осуществления реакции образования нитрида использовался азот, выделяемый в процессе термического разложении азида натрия

NN3 + N2 + N [1]. Считая, что на протекание реакции идет только азот, выделяющийся при разложении азида натрия, определяли массы компонентов, вступающих в реакцию с образованием нитрида титана TiN по уравнению:

3П + NN3 = 3™ + N

Исходные компоненты титан и азид натрия загружаются в челнок дозатора. Необходимая масса порошка титана оказалась равной m(Ti) = 0,0478 г. Таким образом, механическую смесь порошков готовили исходя из соотношения m(Ti)/m(NaN3) = 3,15. Далее на медную подложку выполняли 300 выстрелов. Для снижения влияния воздушной среды ствол детонационной установки заполняли азотом под избыточным давлением 1,1 атм.

Полученное покрытие имело толщину 40 мкм. Масса образованного слоя равна 300 мг. Цвет покрытия черный с налетом желтого цвета. Был проведен ренттенофазовый анализ полученного покрытия (рис. 4).

»П

ЯП.

Из рентгенограммы видно, что побочные продукты типа оксида и гид-роксида натрия в нитридах отсутствуют. На данном этапе исследований представленные результаты рентгенофазового анализа подтверждают возможность создания промышленных технологий формирования слоев покрытий нитридов металлов. Топография поверхности покрытия нитрида титана, синтезированного по уравнению реакции (3), представлена на рис. 5. В целом все возможные гомофазные и гетерофазныереакции так или иначе влияют на весь ход процесса образования конечного продукта - нитрида титана, что приводит к изменению реального выхода конечного продукта от теоретического расчетного количества.

Рис. 5. Структура покрытия нитрида титана

ыш!«- [в: ¡.аж'к [|Щ| -, ТШ: ll.IT

ьы: ктп? 111 и зы» ! з.олг кщ^ам №1 о.»он т №и. |св]

Рис. 4. Рентгенограмма полученного покрытия нитрида титана

Выводы: очевидно, что получение нитридов методом газовой детонации принципиально возможно, но они неизбежно будут загрязнены оксидами металлов (Т1, Ка), титанатами, сажей, причем доля получаемых нежелательных продуктов будет весьма значительной в массе покрытия.

Список литературы

1. Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро - и нанопорошков нитридных композиций : монография / Г.В. Бичуров , Л. А . Шиганова , Ю.В. Титова. - М.: Машиностроение- 1, 2012. 657с.

2. Энергетическая модель технологий упрочнения сплавов/ Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 196-199.

3. Моделирование размола порошка металла/ Амосов Е.А., Никитин К.В.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А. А Горохова. Курск, 2011. С. 14-17.

4. Модель упрочнения слава на основе алюминия/ Амосов Е.А., Быкова Н.В., Мош-няков М.Г.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике, Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А.А Горохова. Курск, 2011. С. 7-11.

5. Предел измельчения частиц порошка/ Амосов Е.А., Мошняков М.Г.// В сборнике: Техника и технологии: пути инновационного развития, материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2011. С. 24-26.

6. Экспериментальная оценка тест-системы для исследования острой токсичности различных загрязнителей окружающей среды в лабораторных условиях/ Амосова А.А., Амосов Е.А., Козулина А.С.// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 5-2. С. 1042-1044.

7. Моделирование размола порошка металла/ Амосов Е.А., Марков Ю.М.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А.А Горохова. Курск, 2011. С. 11-14.

8. Оценка размера частиц нанопорошка/ Амосов Е.А.// В сборнике: Техника и технологии: пути инновационного развития, материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2011. С. 22-24. Проектирование дисковых фрез с конструктивной радиальной подачей для обработки профильных валов/ Куц В.В., Мальнева Ю.А., Горохов А.А.// Курск, 2015.

9. Моделирование номинальной поверхности тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 74-80.

10. Моделирование профиля производящей поверхности набора фрез, предназначенного для обработки тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 81-87.

11. Синтез вариантов схем установки сменных многогранных пластин относительно профиля производящей поверхности фасонных фрез/ Куц О.Г., Горохов А.А.// В сборнике: Прогрессивные технологии и процессы, Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-практической конференции в 3-х томах. Ответственный редактор: Горохов А.А.. Курск, 2015. С. 122-130.

12. Новый способ обработки валов с равноосным контуром дисковой фрезой с радиальной конструктивной подачей/ Мальнева Ю.А., Куц В.В., Горохов А.А.// В сборнике: Молодежь и XXI век - 2015 материалы V Международной молодежной научной конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2015. С. 142-145.