книги / Алюминий и его соединения структурные характеристики, теплофизические, и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трени
..pdf
аб
вг
де
ж
Рис. 9. Формирование кратеров на поверхности зоны эрозии алюминиевого катода, охлаждаемого оборотной водой: а – кратеры диаметром до 100 мкм; б, в – увеличенные фрагменты микроструй и микрокапель; г – кратеры до 500 мкм; д – высокоскоростные струи плазмы ионизированного материала катода по периметру кратера; е – тонкая структура поверхности катода с мелкой дендритной структурой поверхности; ж – неравномерное стравливаниезоныэрозиикатодаAl, охлаждаемогопроточнойводой
31
структур (рис. 9, д) происходят за счет ухудшения теплоотвода с отдельных участков катодного пятна из Al и локального плавления его зоны эрозии при испарении. Неравномерное охлаждение алюминиевого катода при повышении температуры оборотной воды приводит к перераспределению концентрации фаз в катодном пятне, росту зерен, снижению длительной прочности Al и в итоге к уменьшению усилий и затрат энергии на деформацию катода (см. рис. 9, г–д). Подобные кратеры были обнаружены Юттнером и Клебергом на медном катоде с высокой теплопроводностью λ = 401 м–1·K–1 при 293 К, которая выше, чем у алюминия (237 м–1·K–1) [25]. Первичная неравновесная тонкая дендритная структура на плоских участках зоны эрозии свидетельствует о неравномерности температуры в катодном пятне и поперечном сечении Al катода и, как следствие, о его неоднородномиспарении(рис. 9, е).
Бо́льшая деформация Al катода в условиях ограниченного охлаждения объясняется преимущественной зависимостью модуля сдвига G и прочности на сдвиг от повышения температуры выше 573 К. Данная зависимость характерна для ГЦК-металлов и проявляется в более сильной зависимости константы упругости алюминия с11 от температуры, которая уменьшается быстрее, чем с44. Коэффициент кристаллографической анизотропии алюминия особенно резко увеличивается при T ≥ 573 К, приводя к росту скорости испарения зерен с различной кристаллографической ориентацией. Процессы разрушения кристаллической решетки начинаются при температуре 900 К, близкой к точке фазового пе-
рехода solid – liquid – 933 К.
Алюминий с многократно меньшими силами межатомного взаимодействия, характеризующимися энергией когезии, обладает большей чувствительностью к градиенту температуры по сечению катода по сравнению с титаном. Градиент состава покрытия вызван неравномерным распределением температуры по сечению катодного пятна, изменением скорости нагрева и испарения алюминия при повышении его температуры. Капельные тела в жидкой фазе в связи с образованием в плазме одно-
32
фазной системы liquid будут увеличивать дефектность покрытия Ti1-хAlхN и ухудшать его физико-механические свойства.
Интенсивный теплоотвод от катодного пятна Al позволит стабилизировать вышеуказанные теплофизические и физикомеханические свойства алюминия, снизить содержание макрочастиц liquid фазы в плазменном потоке, уменьшить размер и количество микрокапель в покрытии. Стабилизация температуры катода по его поперечному сечению предотвращает деформацию катода и изменение его формы. Локальное плавление зоны эрозии Al при равномерном охлаждении катода проточной водой наблюдается только в точках выхода различных дефектов, где происходит неоднородное стравливание алюминия (рис. 9, ж).
Уменьшение удельной прочности, удельной жесткости, ползучести и долговременной прочности алюминия изменяет поведение катода во время испарения при температуре 500 К и выше.
Легкоплавкий алюминиевый катод наиболее чувствителен к температуре охлаждающей воды. В интервале температур 500– 573 К из-за уменьшения температуропроводности и теплопроводности температура поверхности и поперечного сечения катода резко возрастает. Вследствие последующего уменьшения удельной прочности (σв / ρ), удельной жесткости (E / ρ) и значительного повышения коэффициента термического расширения деформация катода увеличивается. При T ≥ 573 К резко растет коэффициент кристаллографической анизотропии, приводя к росту скорости испарения зерен с различной кристаллографической ориентацией. Хотя скорость испарения алюминия повышается незначительно, по сравнению с титаном. Процессы разрушения кристаллической решетки начинаются при температуре 900 К. Испарение алюминиевого катода происходит при температуре (1423 К) выше точки фазового перехода из твердого состояния в жидкое (933 К). Стабилизация теплоемкости алюминия в жидком состоянии не влияет на процесс испарения. В условиях недостаточного охлаждения, с увеличением содержания жидкой фазы в двухфазной системе твердое тело – жидкость увеличивается ко-
33
личество макрочастиц в потоке плазмы, а также дефектность и количество макрокапель в образующемся покрытии Ti1-хAlхN.
Выравнивание средней температуры катодного пятна алюминия и катода в поперечном сечении ниже критической 500 К способствует равномерному перераспределению и выравниванию концентрации фаз в зоне эрозии и осаждении нанокристаллической бездефектного покрытия Ti1-хAlхN стехиометрического состава. Cтруктурно-фазовые превращения в алюминии не протекают при поддержании средней температуры его поверхности ниже температуры тока термоэлектронной эмиссии.
Нарушение отвода тепла от отдельных участков алюминиевого катода при его испарении, вызванное повышением температуры оборотной воды, приводит к локальному плавлению зоны эрозии катодаиперераспределениюконцентрациифазывкатодномпятне.
Постоянство температуры катодного пятна Al позволяет стабилизировать вышеуказанные теплофизические и физико-механи- ческие свойства алюминия, снизить содержание liquid фазы в плазменном потоке, уменьшить размер и количество макрочастиц. Стабилизация температуры катода по его поперечному сечению предотвращаетдеформациюкатодаиизменениеегоформы.
2.3. Эволюция структуры и дефектности катодного пятна тугоплавкого титана в зависимости от его температуры
Для установления разницы в испарении легкоплавкого алюминия с аналогичным процессом тугоплавкого металла исследовали процесс испарения технически чистого титана [34].
Температурные интервалы образования двух аллотропических модификаций титана с одинаковым химическим составом, но различным строением и свойствами для низкотемпературной α-фазы соответствуют 0–1155,5 K, для высокотемпературной β-фазы – 1155,5–1933 K [33]. Титан с температурой испарения 1819 К ниже температуры фазового превращения solid – liquid
34
(1933 K) испаряется в твердом состоянии (сублимируется) с образованием однофазной системы – плазмы. Количество теплоты, необходимое для испарения титана, очень велико по сравнению с теплотой испарения алюминия, поэтому скорость испарения титана многократно меньше, чем у алюминия. При температурах ˃573 К отношение прочности к удельному весу, отношение прочности и жесткости к плотности у титана выше, чем у алюминия. Незначительная скорость снижения данных удельных характеристик титана с ростом его температуры сдерживает деформацию катода. Однако модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 623 К модули упругости уменьшаются почти по линейному закону и прочность титана снижается почти в 2 раза.
Для равновесной температуры окончания полиморфного превращения α + β → β при Тα→β = 1155,5 K характерен высокоинтенсивный эндотермический эффект, проявляющийся в резком снижении теплоемкости, резком росте температуропроводности, скачкообразном увеличении теплопроводности и скачкообразном уменьшении коэффициента термического расширения титана. Скачкообразное изменение теплофизических свойств при росте кристаллографической анизотропии приводит к перераспределению титана и в катодном пятне и покрытии и ухудшению его фи- зико-механических свойств. Температура политропного превращения α → β меньше температуры фазового превращения: твердое тело → жидкость, поэтому вероятность потери геометрии титанового катода меньше, чем у алюминиевого. Однако объем катода может увеличиваться из-за увеличения коэффициента теплового расширения. Потеря способности титана к упругой деформации при переходе титана в β-состояние с большим беспорядком обусловлена увеличением коэффициента кристаллографической анизотропии и энтропии, а также линейным уменьшением модуля Юнга. В результате возникновения резкого градиента температур в катоде Ti зарождаются транскристаллические поверхностные трещины и развиваются по границам зерен и двойников.
35
По теплофизическим свойствам можно судить, что при снижении в температурном интервале 1155,5–1819 К скорости нагрева титана и увеличении теплоотвода в катод катодное пятно менее чувствительно к изменению температуры. Однако физикомеханические свойства высокотемпературной фазы β-Ti при улучшении ее теплофизических свойств многократно ухудшаются в связи с ростом зерна и низкой длительной прочностью β-Ti по сравнению с фазой α-Ti.
Таким образом, титановый катод наиболее чувствителен к охлаждению в интервале температур 1155,5–1819 К, а превышение глубины нагрева катодного пятна при его испарении при 1819 К приводит к росту размера зерен и падению физико-механических свойствкатода.
Низкая теплопроводность и градиент температуры в поперечном сечении катода, охлаждаемого оборотной водой, приводят к термическим и механическим напряжениям в зоне эрозии катодного пятна Ti, пластической деформации его поверхности с развитием характерного рельефа [35]. Пластинчатая структура титана формируется в условиях увеличения его кристаллографической анизотропии, при которой нет препятствий для группировки кристаллитов в одной из плоскостей (рис. 10, а). Укрупнение пластинчатой структуры вызвано неравномерным охлаждением катодного пятна и недостаточным отводом тепла от его отдельных участков вследствие увеличения температуры оборотной воды (рис. 10, б). Увеличение пластинчатой структуры также может быть вызвано ростом давления газовойсмесиинапряжениясмещениянаподложке.
Растрескивание титана, характерное для температуры политропного превращения α → β, не обнаружено.
Способ охлаждения титанового катода проточной водой и поддержание средней температуры катода Ti постоянной по сечению катода предотвращает возникновение термических напряжений и транскристаллических поверхностных трещин. В результате микроскопических взрывов титановый катод разрушается небольшими порциями, следы которых видны на электронных микрофо-
36
тографиях в виде микроскопических кратеров с диаметром 350– 400 нм (рис. 10, в). Изменение размера кратеров на поверхности зоны эрозии титанового катода, равномерно охлаждаемого проточной водой, обусловлено кристаллографической анизотропией титана, зависимостью модуля упругости и модуля сдвига от ориентировки кристаллитов, а коэффициента термического расширения – от повышения температуры (см. рис. 10, в). Наноразмерные зерна, образующиеся на поверхности кратеров, указывают на равновесные условия процесса испарения титана (рис. 10, г).
а |
б |
вг
Рис. 10. Особенности рельефа поверхности Ti катода: a – пластинчатая структура поверхности зоны эрозии Ti катода; б – укрупнение пластинчатой структуры (охлаждение оборотной водой); в – микроскопические кратеры c поверхностной мелкодисперсной структурой (г) при охлаждении Ti
катода комплексной водой [36]
Меньшее образование кратеров на поверхности катода Ti без вытеснения расплава из кратеров объясняется его испарением в твердом состоянии с высокоинтенсивным эндотермическим эффектом и повышенными величинами теплопроводности и температуропроводности. Таким образом, на поверхности титана по
37
сравнению с поверхностью алюминия при отсутствии на них тонких диэлектрических пленок создаются менее благоприятные условия для размножения взрывоопасных центров электронной эмиссии, образующих катодное пятно за счет модификации поверхности рельефа [37].
2.4.Корреляционная зависимость структуры
идефектности покрытий Ti1-xAlxN от изменения агрегатного состояния, теплофизических
ифизико-механических свойств алюминиевого
ититанового катодного пятна
Макрочастицы в жидком состоянии разрушаются в момент удара о подложку (рис. 11, а). Механизм разрушения капель с высоким содержанием Al вязкий (рис. 11, б). Механизм разрушения капель с высоким содержанием Ti является хрупким из-за напряженного состояния (термические и механические напряжения) макрочастиц в плазме, образования микронапряжений между покрытием и подложкой, низкой когезионной прочности макрочас-
тиц (рис. 11, б, в).
Образование микротрещин происходит в основании микрокапель с зернистой структурой (см. рис. 11, в) и растрескивание по всему сечению микрокапель с кристаллической структурой
(рис. 11, г).
Различие в механизмах разрушения капель и покрытий объясняется разной зависимостью теплофизических и физикомеханических свойств катодов Al и Ti от температуры, различного агрегатного и аллотропного состояния катодных пятен при их испарении.
Микрокапли с высоким содержанием Al отслаиваются по границе раздела с покрытием Ti1-хAlхN (рис. 11, д). Покрытие Ti1-хAlхN трескается из-за образования напряжений на границе раздела между подложкой и микрокаплями с высоким содержанием Ti (рис. 11, е). Напряженные микрокапли с дефектной зернистой
38
а |
б |
вг
де
жз
Рис. 11. Разрушениемакрочастицвжидкойфазе: а – приударео подложку; б – 3D-капля с максимальным содержанием Al и вязким механизмом
разрушения. 3D-капли (размер 4 × 6,5 мкм) с максимальным содержанием Ti, растрескивающиеся вдоль основания (б) и по всему сечению (в); г – выпадение микрокапель жидкой фазы из покрытия; д – хрупкое разрушение микрокапель и покрытий Ti1-хAlхN с полным отрывом от подложки; е – дефектное растрескивание покрытия Ti1-хAlхN вблизи дефектных стержневых структур; ж – выпадение микрокапель из покрытия;
з – ячеистаяструктураповерхностипокрытияTi1-хAlхN
39
аб
вг
д
е
Рис. 12. Микроструктура покрытия Ti1-xAlxN с тонкой структурой фрагментов (а–г); спектр из участков покрытия (д); результаты локального и рентгеноспектрального анализа, ат. % (е). Область 1, 2, 4; Точки 3 и 5 с высоким содержанием Al 20–33 ат.%; область 2 обеднена алюминием
40