Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТИН. Аморфные металлические сплавы (АМС) являются перспективными материалами с точки зрения механических, электрических, химических и магнитных свойств. Высокая механическая прочность и износостойкость наряду с высокой пластичностью, значительная коррозионная стойкость в агрессивных средах, практически полное отсутствие магнитного гистерезиса, устойчивость сверхпроводящего состояния к радиационным воздействиям - некоторые из многочисленных особенностей аморфных металлов. В связи с этим они могут использоваться в качестве упрочняющих, износостойких и коррозионностойких элементов и покрытий, при изготовлении магнитных экранов и головок, резисторов, сверхпроводников и т.д.
Однако, до сих пор еще не решена проблема воспроизводимости и стабильности свойств АМС, что является препятствием к их широкому практическому использованию. Это связано прежде всего с низкой воспроизводимостью структуры аморфных сплавов, выражающейся в многообразии самого аморфного состояния. Метастабильная природа металлических стекол предопределяет существование непрерывного ряда аморфных состояний, характеризующихся различным избытком свободной энергии по отношению к некоторому наиболее стабильному некристаллическому состоянию. Поэтому различные условия получения приводят к созданию АМС с различной степенью разупорядочения, которое, безусловно, оказывает влияние как на последующие структурные превращения, так и на свойства. В настоящее время отсутствуют данные об исследовании такого влияния. Между тем установление закономерностей указанной связи способствовало бы повышению воспроизводимости эксплуатационных свойств АМС и расширению их
Применения.
Для решения указанной проблемы необходимо иметь в наличии набор аморфных сплавов ваданного состава, отличающихся исходной разупорядоченностыо. При этом АМС целесообразно получать в виде тонких пленок, структурное состояние которых можно широко менять от сильно разупорядоченного, полученного, например, ионным облучением, до наиболее упорядоченного (но аморфного) релаксационным отжигом.
Отсутствие работ по систематическому исследованию роли атомного разупорядочения АМС и его влияния на структурные превращения и свойства, а также до сих пор не решенная проблема воспроизводимости и стабильности свойств, являющаяся препятствием к широкому практическому использованию аморфных металлов, обусловливает актуальность темы данной диссертационной работы как в научном, так и в практическом плане.
ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ было проведение исследования изменений характера структурных превращений и свойств (трибологических, механических, коррозионных, электрофизических) АМС в зависимости от степени упорядоченности на примере систем Ni-Nb и Cu-Ti с использованием сильно неравновесных методов получения.
Различные по упорядоченности аморфные состояния создавались путем комбинации лазерного напыления, ионного облучения и релаксационного отжига: Для исключения химического влияния (эффект легирования) при ионной имплантации облучение проводилось ионами инертных газов Аг+ и Хе+.
Выбор объектов исследования обусловлен тем, что сплав Ni-Nb обладает высокой стеклообразующей способностью, а это дает возможность изменять в широких пределах степень структурной разупо-
рядоченности. Достаточная изученность сплава, полученного методом закалки из жидкого состояния, позволяет проводить сопоставления ~3 имеющимися данными. Для сравнения удобно использовать более трудно аморфизущийся сплав - Си-Ті. Выбор указанных материалов целесообразен еще и потому, что эти сплавы, благодаря ряду полезных свойств, могут найти практическое применение. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.
-
Впервые проведено комплексное исследование связи между исходным разупорядочением, структурными превращениями и свойствами АМС.
-
Обнаружено, что путем облучения ионами инертных газов пленок металлических сплавов с высокой стеклообразующей способностью можно регулировать степень разупорядоченности АМС.
-
Установлено, что аморфные сплавы, получаемые лазернії" напылением, ионным облучением и закалкой из жидкого состояния, имеют подобную структуру ближнего порядка. Это свидетельствует о существовании единого механизма аморфизации металлических сплавов.
-
Обнаружено, что разупорядочение, вносимое ионным облучением, имеет тот же тип, что и в лазерно-напыленных аморфных сплавах.
-
Впервые установлена возможность получения АМС с коэффициентом трения, меньшим по сравнению с кристаллическими аналогами. Это подтверждает гипотезу об антифрикционных свойствах некристаллической фазы, образующейся на поверхности трущихся металлов с высокой износостойкостью.
-
Установлено, что коррозионные, а также барьерные (в контактах металл-полупроводник") свойства АМС определяются степенью упорядоченности.
-
Полученные в работе результаты подтверждают причину низкой воспроизводимости и стабильности эксплуатационных свойств многих аморфных металлических сплавов, которая заключается в различиях топологической упорядоченности. Это обусловливает необходимость ее контроля и целенаправленного изменения при серийном производстве аморфных сплавов.
-
Лазерное напыление и облучение гонами инертных газов в сочетании с релаксационным отжигом позволяют создавать аморфные металлические сплавы с широкой областью изменения атомного разу-порядочения и соответствующих свойств, что "открывает возможность использования этих методов в исследовательских целях - для воспроизведения структуры и свойств аморфных.сплавов, получаемых различными методами.
-
Низкотемпературная структурная релаксация приводит различно упорядоченные аморфные металлические сплавы к близким как по структуре, так и по свойствам состояниям, что может быть использовано для повышения воспроизводимости и стабильности свойств аморфных сплавов.
-
Исследования механических, трибологических и коррозионных свойств позволяют установить связь между исходным разупорядочени-еи и повышением прочности, износостойкости и коррозионной стойкости аморфных сплавов, тем самым открывая путь для улучшения эксплуатационных свойств как аморфных, так и кристаллических металлов.
5. Обнаруженная высокая термостойкость электрических пара
метров выпрямляющих контактов аморфный сплав Ni6oNb4o - кремний,
и их ухудшение при увеличении степени разупорядочения позволяют
дать рекомендации для совершенствования структур с барьерами Шоттки.
6. Полученные результаты расширяют и углубляют знания о природе физических процессов, происходящих в аморфных металлических сплавах с различной структурной разупорядоченностью, что может быть использовано для развития теоретических представлений о структуре и свойствах некристаллических металлов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Способность металлических сплавов к аморфизации при ионном облучении и лазерном нанесении определяется их способностью к стеклованию при закалке из жидкого состояния. Ионное облучение аморфных сплавов приводит к дополнительному топологическому разу-порядочению при неизменном его характере.
-
АМС, полученные лазерным напылением, ионным облучением и закалкой из жидкого состояния, имеют подобную структуру ближнего порядка. Существенные отличия проявляются лишь во второй координационной сфере. Это указывает на существование единого механизма аморфизации, независимого от способа получения.
-
Пленки АМС характеризуются меньшими коэффициентами трения по сравнению с соответствующими поликристаллическими. Изменения коэффициента трения и микротвердости при аморфизации ионным облучением и после релаксационного отжига связаны со структурными изменениями.
-
Коррозионная стойкость АМС в растворах кислот зависит от предыстории пленок: понижение коррозионной стойкости при переходе аморфных металлических сплавов в поликристаллическое состояние наследуется при последующей аморфизации ионным облучением вследствие сохранения нооднородностей состава, что для сплава Ni6oND40
проявляется в селективном растворении Ni. Структурная релаксация способствует повышению стойкости к коррозии.
5. Электрические параметры контактов аморфный сплав Ni6oNb4o/Si обладают более высокой термостабильностью по сравнению с Ni/Si. Ионное облучение вызывает деградацию параметров, имеющую даль недействующий характер.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на X Всесоюзной теплофиаической школе "Теплофизика релаксирукщих систем'1 (Тамбов, 1990), Республиканской конференции "Физико-химические основы производства металлических сплавов" (Алма-Ата, 1990), Региональной научно-технической конференции "Совершенствование процессов механической обработки и сборки в машиностроении" (Горький, 1990), Научно-технической конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1991), II Межреспубликанском семинаре "Современные методы и аппаратура рентгеновских дифрактометрических исследований материалов в особых условиях" (Киев, 1991), Международной теплофивической школе ' "Теплофизические проблемы промышленного производсдва" (Тамбов, 1992),-XXII Конференции по эмиссионной электронике (Москва, 1993), Международной конференции "Модификация свойств поверхностных слоев неполупроводниковых материалов с использованием пучков частиц" (Сумы, 1993), Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника" (Москва, 1994), Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной ммплантации" (Нижний Новгород, 1994).
Основные результаты диссертации изложены в 13 публикациях. Работа выполнена в рамках темы "Вар-РВО", выполняемой в НИФТИ при ННГУ им. Н.И.Лобачевского по постановлению директивных органов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы."Работа-изложена на 209 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка, 5 таблиц. Список литературы содержит 302 наименования.
