Введение к работе
Актуальность темы диссертации: Многочисленные исследования природы термоупругих мартенситных превращений и обусловленных ими свойств сверхэластичности и памяти формы в никелиде титана привели к созданию целого класса сплавов на его основе, нашедших широкое практическое применение, в том числе в медицине [1]. При использовании сплавов на основе никелида титана в медицине на первый план выдвигается проблема создания защитных покрытий, которые одновременно препятствовали бы выходу ионов металлов в биосреду, не приводили к уменьшению эффектов сверхэластичности или памяти формы и обладали бы высокими параметрами адгезии, коррозионной стойкости, биосовместимости. Наиболее привлекательным для решения такой сложной задачи представляется метод магнетронного напыления покрытий, использование которого в комплексе с ионно-лучевыми поверхностными обработками обеспечивает формирование однородных покрытий с заданными химическим составом и толщиной.
Модификация никелида титана потоками заряженных частиц (ионы, электроны) может приводить к изменению структурно-фазовых состояний в его поверхностных слоях. Известно, что структура и свойства поверхностных слоев оказывают заметное влияние на объемные физико-механические свойства сплавов на основе TiNi [2]. В течение последних 10-15 лет ведутся интенсивные исследования взаимосвязи структурно-фазовых состояний, элементного состава, уровня внутренних напряжений в поверхностных слоях сплавов на основе никелида титана в зависимости от методов и условий их синтеза или модификации облучением. Наиболее предпочтительными методами исследования этих состояний, оценки уровня индуцированных внутренних напряжений и процессов, связанных с их релаксацией, являются так называемые прямые структурные методы исследования, в частности метода рентгеноструктурного анализа (РСА). В случае, когда объектом исследования методами РСА является материал с градиентом структурно-фазовых состояний, эта задача еще более усложняется, требует прецизионного подхода как к условиям получения дифракционных картин, так и их последующему анализу.
Цель работы: Изучение структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях никелида титана с однокомпонентными покрытиями из молибдена и тантала, полученными магнетрон-ным осаждением и модифицировашшми потоками ионов углерода, кремния, молибдена.
Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:
Провести детальные рентгеновские исследования структурных состояний фаз, образующих однокомпонентные покрытия из металлов - молибдена и тантала и основы из сплава Ti
Изучить влияние воздействий ионными пучками средних энергий на структурно-фазовые состояния и закономерности изменения атомно-кристаллических параметров структур ос-
4 новных фаз, характеризующих покрытия и приграничные слои никелида титана. 3. Изучить закономерности формирования упруго-напряженных состояний фаз в сплаве Ti_(9.5Nijo.5 с покрытиями из молибдена и тантала субмикронной толщины и влияния на них ионно-пучковых воздействий. Научная новизна
Построена картина эволюции атомно-кристаллической структуры при переходе от покрытий из молибдена и тантала, сформированных методом магнетронного осаждения, к прилежащим к ним слоям материала из никелида титана.
Обнаружено, что фаза В2 в наружном слое сплава TiNi в результате взаимодействия с материалом покрытия из Мо или Та характеризуется не двухкомпонептпым, а трехкомпонентными составами TiNi-Mo или TiNi-Ta. В образцах Mo/TiNi эта фаза сформирована путем замещения легирующим элементом (Мо) преимущественно атомов никеля, тогда как в образцах Ta/TiNi эта фаза сформирована путем замещения легирующим элементом (Та) преимущественно атомов титана.
Выявлена взаимная связь между значениями размеров областей когерентного рассеяния и микродеформациями, обусловленными напряжениями первого и второго рода в ОЦК фазах материалов покрытий и основы, возникающих как после осаждения покрытий, так и после их последующей ионной модификации. Показано существование иерархии в формировании полей упругих напряжений 1-го и 2-го рода.
Научная и практическая значимость работы
Разработанный подход для исследования градиентных структур, базирующийся на использовании комплекса современных методов РСА с применением дифрактометриче-ских схем съемок с изменением угла скольжения рентгеновского пучка, позволяет провести одновременно:
прецизионные исследования структурно-фазовых состояний в слоях, расположенных на различной глубине от поверхности;
сделать количественную оценку величины микродеформации кристаллической решетки, обусловленной напряжениями 1-го или 2-го рода, вызванных способом осаждения покрытий и их последующей ионной модификацией.
Обнаруженные и детально исследованные эффекты фрагментации структуры покрытий позволяют рекомендовать применение ионных пучков средних энергий для формирования в поверхностном слое нано- и субмикрокристаллической структуры.
Разработанные методы рентгеноструктурного анализа многослойных систем могут быть использованы в научно-исследовательских учреждениях и на физических факультетах университетов для проведения исследований, выполнения курсовых и дипломных работ.
Комплексные исследования, основные результаты которых представлены в диссертационной работе, проводились в рамках госбюджетных проектов 3.6.2.1. (2007-2009), 3.6.2.2.
5 (2007-2009), № Ш.20.2.1. (2010-2012); комплексных интеграционных проектов СО РАН №91 (2007-2008), №2.3 (2007-2008), № 12.7(2007-2008), №57 (2009-2011); государственного контракта № 02.523.11.3007 (2007-2009).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Композиции «покрытие/основа» Mo/TiNi и Ta/TiNi, полученные методом магнетрон
ного осаждения металлов (Мо, Та), состоят из нескольких последовательно располо
женных слоев, которые характеризуются одинаковым ОЦК-типом решетки основных
фаз и атомно-кристаллическими параметрами, изменение которых при переходе от слоя к
слою соответствует лучшему сопряжению кристаллических решеток фаз, образующих по
крытия и материал-основу.
2. Ионная модификация не изменяет принцип организации поверхностных слоевых
структур и объемное соотношение основных фаз в композициях «покрытие/основа»
Mo/TiNi и Ta/TiNi, однако приводит к измельчению (фрагментации) структуры покрытий,
а также изменению уровня остаточных напряжений 1 и 2-го рода преимущественно внут
ри материала покрытия, практически не затрагивая материал-основу (никелид титана).
3. В слоевых композициях Mo/TiNi и Ta/TiNi, полученных магнетронным осаждением,
возникают градиентные поля остаточных упругих напряжений, соблюдается иерархия в
их формировании - интегральные поля упругих напряжений в полном объеме материала
(напряжения 1 рода) формируются путем суперпозиции полей упругих напряжений
внутри отдельных зерен (напряжений 2 рода). Ионно-лучевое воздействие приводит к
понижению среднего уровня остаточных напряжений или даже изменению знака компо
нентов этих напряжений.
Достоверность результатов определяется применением комплекса методов рент-геноструктурного анализа, использованием современного оборудования и программ для анализа полученных результатов, соответствием экспериментальных результатов с данными других авторов.
Личный вклад соискателя заключается в подготовке образцов для структурных исследований, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, написании литературного обзора по теме диссертации, в совместной с научным руководителем Л.Л. Мейснер постановке задач диссертации, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2008), IV Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2008,2009, 2010), Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа, 2008), II Международная научная школа-семинар «Современные метода ана-
лиза дифракционных данных (дифракционные методы для нанотехнологай)» (Великий Новгород, 2008), 9 th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2008), V Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2008), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерно^ конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009), Третья Всероссийская конференция по наноматерналам «НАНО-2009» (Екатеринбург, 2009), The Third International Conference «Defonnation & Fracture of Materials and Nanomatenals» (Москва, 2009), X Китайско-Российский Симпозиум «Новые материалы и технологии» (Китай, 2009).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 32 печатных работах, включающих 6 статей в российских н зарубежных журналах, входящих в перечень ВАК, 26 в сборниках трудов и материалов российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов; всего 195 страниц, в том числе 77 рисунков, 22 таблицы и список цитируемой литературы из 253 наименований.
