Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что эффекты памяти формы и сверхэластичности в сплавах на основе никелида титана обусловлены протекающими в них термоупругими мартенситными превращениями, которые испытывает высокотемпературная фаза с упорядоченной В2-структурой. Механизмы термоупругих мартенситных превращений обеспечивают накопление большой деформации (до 10-15%), обратимой при снятии нагрузки или изменении температуры, получившие в отечественной и зарубежной литературе название - неупругих деформаций [1-3].
Ранее теоретические и экспериментальные исследования мартенситных превращений в сплавах на основе никелида титана были направлены на изучение механизмов и кинетики мартенситных превращений, эволюции структуры и свойств в предпереходных состояниях, закономерностей изменения эффектов сверхэластичности (СЭ) и памяти формы (ЭПФ) в зависимости от составов сплавов на основе никелида титана. Практическое использование сплавов на основе никелида титана в медицине требует таких изменений свойств поверхности и поверхностных слоев, которые приводили бы к повышению их коррозионной стойкости, биосовместимости, рентгеноконтрастности. Данная работа является продолжением исследований по влиянию на эффекты сверхэластичности и памяти формы модифицированных или созданных на поверхности никелида титана слоев, методами синтеза которых являются методы магнетронного осаждения и высокодозовой имплантации ионов.
Известно, что состояние поверхности и поверхностных слоев во многом определяет деформационное поведение материала. Поэтому можно ожидать, что модификация поверхности или создание новых слоев на поверхности сплава из никелида титана приведет к изменению закономерностей накопления пластической и возврата неупругой обратимой деформации. В настоящее время существует большое количество публикаций, посвященных модификации поверхности сплавов на основе никелида титана, в том числе и путем нанесения покрытий. Однако среди них имеется мало работ, в которых рассматривается влияние этой модификации на свойства неупругости в этих сплавах.
Таким образом, цель работы - исследовать влияние покрытий субмикронной толщины из молибдена и тантала, сформированных методом магнетронного напыления, и их последующей модификации методом имплантации ионов С+, Si+, Мо+, Та+ на физико-химические и неупругие свойства сплава -
Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи:
Исследовать химический состав, морфологию поверхности, физико-механические свойства покрытий из молибдена и тантала на поверхности сплава Ti49.5Ni5o.5 и последующее их изменение вследствие модификации покрытий и поверхностных слоев подложки посредством имплантации ионов С+, Si+, Мо+, Та+.
Изучить закономерности накопления и возврата неупругой деформации при кручении образцов из сплава Ti49.5Ni5o.5 с покрытиями субмикронной толщины
из молибдена и тантала, выявить влияние химического элемента и толщины покрытия на параметры сверхэластичности и памяти формы в этом сплаве. 3. Установить закономерности изменения параметров сверхэластичности и памяти формы образцов Ti^.sNiso.s с ионно-модифицированными покрытиями субмикронной толщины из молибдена и тантала. Выявить влияние на них ионно-лучевых воздействий.
Научная новизна.
Установлено, что в результате магнетронного напыления молибдена или тантала поверхностные слои композиций «покрытие/подложка из TiNi» насыщаются атомами углерода и кислорода, при этом независимо от типа напыляемого элемента (молибден или тантал) атомы углерода преимущественно адсорбированы в покрытиях, а атомы кислорода - в поверхностных слоях подложки из TiNi.
Обнаружено, что ионная модификация композиций «Мо (Та) - покры-тие/Ті№-подложка» с использованием ионов Si+, Мо+, Та+ приводит к изменению концентрации углерода и кислорода и их первоначального распределения между покрытием и подложкой, повышению микротвердости в покрытиях и прилежащих к ним слоях TiNi, а также повышению прочности сцепления покрытий с подложкой и некоторому понижению их пластических свойств.
Установлено, что в образцах TiNi с покрытиями субмикронной толщины из молибдена и тантала при одних и тех же внешних условиях (приложенных нагрузках и температуре испытаний) величины накапливаемых обратимых деформаций понижаются в 1.5-2 раза и, в то же время, эффекты сверхэластичности и памяти формы проявляются практически полностью, без накопления остаточной деформации.
4. Выявлено конкурирующее влияние двух факторов, определяющих
температурные интервалы накопления и возврата неупругой деформации: (1) -
концентрации и распределения элементов примеси (углерода и кислорода)
между покрытием и пограничным с ним слоем TiNi, приводящих к их
упрочнению; (2) - толщины покрытия. Последующая ионнс—лучевая модифи
кация образцов с покрытиями из молибдена и тантала привела к:
восстановлению соотношения между вкладами механизмов сверхэластичности и памяти формы в величину обратимой деформации, изменившегося после нанесения покрытий;
восстановлению деформационных параметров эффекта памяти формы до уровня, соответствующего образцам без покрытий;
возврату температурных интервалов проявления неупругих свойств в интервалы, соответствующие исходным значениям в образцах TiNi без покрытий.
Научная и практическая значимость работы состоит в следующем:
- Результаты детальных исследований закономерностей накопления и возвра
та неупругой деформации в сплаве на основе никелида титана с металличе
скими однокомпонентными покрытиями являются основой для формирова
ния новых представлений о физических свойствах многослойных систем на
поверхности материалов со сдвигонеустойчивой матрицей;
Развитые в работе современные методы растровой электронной микроскопии - рентгеноспектральний микроанализ, дифракция обратнорассеянных электронов, электронная Оже-спектроскопия - могут быть использованы для исследования структуры, химического и фазового состава в многослойных композициях на основе металлов и сплавов;
Обоснована возможность использования метода ионно-лучевой модификации не только как способа изменения химического состава в тонком поверхностном слое, но и как комплексного термомеханического воздействия, приводящего к релаксации внутренних напряжений в зонах облучения и, следовательно, необходимого и достаточного метода дополнительной обработки для повышения адгезии тонких покрытий с поверхностью материалов с памятью формы и сохранения на исходном уровне эффектов сверхэластичности и памяти формы.
Комплексные исследования, основные результаты которых представлены в диссертационной работе, проводились в рамках госбюджетных проектов 8.2.1. (2004-2006), 8.1.1. (2004-2006), 3.6.2.1. (2007-2009), 3.6.2.2. (2007-2009), № Ш.20.2.1. (2010-2012); комплексных интеграционных проектов СО РАН №7 (2004-2006), № 24 (2005-2006), №91 (2006-2008), №2.3 (2006-2008), № 12.7(2006-2008), №57 (2009-2011); проектов РФФИ 06-02-08003 (2006-2007); государственного контракта № 02.523.11.3007 (2007-2009).
В работе выносятся следующие положения на защиту:
Экспериментальные результаты исследования химического состава и физико-механических свойств тонких покрытий из молибдена и тантала на поверхности сплава показывающие, что после осаждения металлов магнетронным методом атомы примеси по-разному распределены между покрытием и подложкой: углерод преимущественно сконцентрирован в покрытиях, а кислород - в поверхностном слое матрицы из никелида титана. Закономерное перераспределение атомов этих элементов между покрытием и основой после ионной модификации обеспечивает повышение адгезионной прочности и сохранение покрытий на подложке из -
Экспериментально установленное перераспределение вкладов механизмов сверхэластичности и памяти формы в величину восстанавливаемой неупругой деформации, накапливаемой в пределах формирования мартенситной площадки текучести, в системах из сплава Ti49.sNi5o.5 с покрытиями субмикронной толщины из молибдена и тантала, показывающее, что композиционный материал становится более «сверхэластичным», чем исходный сплав без покрытий,
Обоснование использования ионно-лучевой обработки образцов TiNi с покрытиями субмикронной толщины из молибдена и тантала как комплексного термомеханического воздействия, приводящего к восстановлению температур-но-деформационных параметров эффекта памяти формы до уровня, соответствующего образцам TiNi без покрытий.
Достоверность результатов обеспечивается комплексным использованием прецизионных методов исследования на современном оборудовании, согласованием полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: IV евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» «ПРОСТ 2008» (Россия, Москва, 2008), Четвертая всероссийская конференция молодых ученых (Россия, Томск 2008), Открытая школа-конференция стран СНГ (Россия, Уфа, 2008), V Международная конференция, посвященная памяти академика В.Г. Курдюмова «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Россия, Черноголовка, 2008), Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической ме-зомеханике» (Россия, Томск, 2008), 9-th international conference on modification of materials with particle beam and plasma flows. (Russia, Tomsk, 2008), Международный форум по нанотехнологиям «Роснанотех» (Россия, Москва, 2008), Пятая всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Россия, Томск, 2009), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Россия, Томск, 2009), Третья всероссийская конференции по нано-материалам НАНО-2009 (Россия, Екатеринбург, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, из них 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задач диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 153 страниц состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 122 наименования. Работа содержит 55 рисунков и 9 таблиц.
