Методами мессбауэровской спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии были исследованы термически индуцированных фазовые превращения в слоистой системе алюминий-бериллий-железо. 

Введение

Создание термически стабильных систем с неоднородным распределением фазового состояния по глубине образца и необходимыми приповерхностными свойствами может быть реализовано посредством нанесения покрытия и последующей термической обработки материала [1]. В результате исследований [2] термически индуцированные фазовые преобразования в слоистой системе Fe-Al, полученной магнетронным осаждением алюминия на фольгу a-железа, установлена последовательность и определены характерные времена фазовых преобразований, определена концентрация атомов Al в растворе a-Fe(Al) в приповерхностных слоях и объеме образца в зависимости от времени термического отжига.

В данной работе с помощью методов мёссбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа были исследованы тонкие слоистые системы AlBe-Fe после изохронных термических отжигов в интервале температур 300-900°C. 

Экспериментальные методы

Подложки для исследований были приготовлены из a-Fe прокаткой на вальцах до толщины ~ 10 мкм и последующего рекристаллизационного отжига при 850°C в течение 3 ч. Следующим этапом подготовки образцов являлось осаждение покрытия толщиной ~ 2 мкм состава 75 ат.% Be+25 ат.% Al методом одновременного распыления с двух мишеней. Термические отжиги были проведены в вакуумной печи с остаточным давлением 5´10-6 мм рт. ст.

Для исследования слоистой системы были использованы мессбауэровская спектроскопия (МС) и рентгенофазовый анализ. Мессбауэровские исследования были выполнены на спектрометре MS1104ME в геометрии «на поглощение» при комнатной температуре. Источником g-квантов служил 57Co в Rh активностью ~50 мКи. Калибровка спектрометра осуществлялась с помощью эталонного образца a-Fe. Обработка экспериментальных спектров проводились с помощью программного комплекса MSTools [3,4]. Рентгенофазовый анализ образцов выполнен на дифрактометре D8 ADVANCE на излучении CuKa. Измерения проводились в геометрии Брэгга-Брентано с обеих сторон образца. 

Результаты и обсуждение

На рис.1 представлены характерные мессбауэровские спектры ядер 57Fe в трехкомпонентной слоистой системе Al0,25Be0,75(2 мкм)-Fe(10 мкм) после проведения последовательных 5 ч изохронных отжигов при различных температурах.

Видно, что в общем случае мессбауэровские спектры представляют собой совокупность парциальных спектров парамагнитного и магнитоупорядоченного типов с уширенными резонансными линиями. Каждый из парциальных спектров может быть представлен либо в виде суперпозиции большого числа квадрупольных дублетов, либо зеемановских секстетов с близкими значениями сверхтонких параметров. Такие особенности парциальных спектров характерны для локально неоднородных систем [3]. В связи с этим обработка и анализ спектров проводился методом восстановления нескольких функций распределения сверхтонких параметров, реализованном программой DISTRI [4].

Как видно на рис.1(a-b) в МС-спектрах отожженных образцов вплоть до температуры 550°C не происходит заметных изменений. После отжига при 550°C в мессбауэровском спектре образца наблюдается некоторое увеличение ширины линий секстета, характерного для a-Fe, и после следующего отжига при 600°C (рис.1c) в центральной части спектра появляется уширенная линия. В МС-спектрах, снятых после отжигов при 650°C (рис.1d) и 700°C (рис.1e), появляются дополнительные линии магнитоупорядоченной фазы со сверхтонким полем на ядрах 57Fe, существенно меньшим, чем для a-Fe; при этом исчезает центральная линия и наблюдается сильное уширение линий секстета, которое продолжается вплоть до Tотж=750°C (рис.1f). Дальнейшая термическая обработка к существенным изменениям не привела.

Рисунок 1 – Мессбауэровские спектры (a-h) и парциальные спектры интерметаллидов (i-p) на ядрах 57Fe в слоистой системе AlBe(2 мкм)-Fe(10 мкм) после изохронных отжигов; Tотж, °C: 20 (a,i), 550 (b,j), 600 (c,k), 650 (d,l), 700 (e,m), 750 (f,n), 800 (g,o), 850 (h,p)

На основе анализа литературных данных [5,6] по сверхтонким параметрам мессбауэровских спектров ядер 57Fe для бинарных систем Al-Fe и Be-Fe, были восстановлены три независимые функции распределения (рис.2): Q1 – квадрупольного смещения e, M2 и M3 – сверхтонкого магнитного поля Hn. Первая функция – функция распределения p(e) квадрупольного смещения e – вместе с парциальным спектром парамагнитного типа (Q1) относятся к атомам Fe в алюминидах FeAl, Fe2Al5 и FeAl3 или бериллидах FeBe5 и FeBex. Вторая функция – функция распределения p(Hn) сверхтонкого магнитного поля Hn при 170 кГс £ Hn £ 220 кГс и сдвиге линии d ¹ 0 мм/с (относительно эталона a-Fe) – с соответствующим спектром магнитоупорядоченного типа (M2) относятся к интерметаллиду FeBe2. Третья функция – функция распределения p(Hn) при 210 кГс £ Hn £ 350 кГс, d @ 0 мм/с и соответствующий ей спектр (M3) – были отнесены к смешанному твердому раствору a-Fe(Al, Be).

Рисунок 2 – Результат восстановления функций распределения p(e)и p(Hn) для МС-спектров ядер 57Fe в системе AlBe(2 мкм)-Fe(10 мкм) 

На рис.2 полужирным цветом выделены изменения по сравнению с предыдущей стадией обработки. Видно, что при последовательных термических отжигах локальный максимум функции распределения p(e) для квадрупольного смещения уменьшается с 0,25 мм/с до 0,15 мм/с. При этом имеет место тенденция уменьшения изомерного сдвига d (0,2 мм/с ® 0,05 мм/с). На распределении M2 наблюдается появление нескольких модов при 550°C, достигающие максимума при 650°C, с последующим уменьшением и полным исчезновением. Одновременно происходит смещение максимального значения в распределении M3 и уширение функции распределения.

Сравнивая полученные значения сверхтонких параметров мессбауэровских спектров с известными данными для интерметаллических соединений железа с алюминием [5] и бериллием [6], можно сделать вывод о распаде при 600°C сформировавшихся ранее алюминидов железа и образовании его бериллидов. Функция распределения p(Hn) парциального спектра (M2) после отжига при 550°C имеет уширенный вид. Последующие термические отжиги приводят к формированию (при 650°C) одномодального распределения с локальным максимумом »192 кГс, что свидетельствует о формировании бериллида FeBe2 в интервале температур 550÷650°C. При последующих отжигах происходит распад этого бериллида. Характер изменения функции распределения p(Hn) для парциального спектра C говорит об образовании при 650°C твердых растворов на основе железа. Причем в процессе отжигов интегральная ширина распределения увеличивается, а среднее значение поля Hn уменьшается. В результате обработки были определены парциальные спектры всех фазовых составляющих. На рис.1(i-p) представлены парциальные спектры интерметаллических соединений.

На рис.3 изображена зависимость относительных интенсивностей парциальных мессбауэровских спектров I для различных фаз от температуры последовательных изохронных отжигов.

Видно, что повышение температуры отжига до 650°C приводит к увеличению относительной интенсивности парциальных спектров Q1 и M2 и уменьшению относительной интенсивности парциального спектра M3. При этом относительная интенсивность парциального спектра Q1 достигает максимального значения при 600°C, а парциального спектра M2 – при 650°C. В результате последующих отжигов происходит распад интерметаллических соединений железа и увеличение концентрации примесей Al и Be в твердом растворе a-Fe(Al, Be).

Для всех полученных МС-спектров была построена корреляционная зависимость

Здесь H0=330,4 кГс – величина поля в отсутствие атомов примеси в первой координационной сфере атома Fe с координационным числом m0=8 и DHn – изменение поля Hn при замещении атома Fe на атом примеси в этой сфере. В соответствии с работами [2,7] для алюминия

DHn= –35±3 кГс и DHn= –23±2 кГс. Наблюдаемое хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных показывает, что определяющей причиной изменения среднего значения поля Hn и дисперсии S2 распределения p(H ) с температурой T является изменение концентрации атомов примеси в матрице a-Fe и что такое изменение можно использовать для определения средней по образцу концентрации c. По формуле (2) была рассчитаны концентрации атомов примеси, в основном атомов Be, в твердом растворе a-Fe при различных температурах отжига (рис.5). Штриховыми линиями указаны рассчитанные значения средней концентрации атомов Al (Сa-Fe(Al)=3.4±0.3%), Be (Сa-Fe(Be)=17.9±1.5%) и Al с Be вместе взятые (Сa-Fe(Al,Be)=21.3±1.6%) по всему объему образца, которые достигаются при полном растворении атомов примеси в матрице a-Fe. 

Необходимо отметить, что по характеру изменения концентрации примеси рассматриваемый интервал рабочих температур Tотж можно разделить на три части. В интервале температур 300-550°C концентрация атомов примеси практически постоянна и не превышает 0.8%. Повышение температуры отжига до 750°C приводит к резкому увеличению концентрации примеси в среднем по объему до предельного значения, соответствующего полному растворению атомов Al и Be в матрице. В интервале температур 800-900°C концентрация атомов практически не меняется.

Для подтверждения информации о процессах, происходящих в объеме образца, полученной с помощью метода мессбауэровской спектроскопии в геометрии «на поглощение», были проведены рентгенофазовые исследования с обеих сторон образца. Для более детального анализа рентгеновских дифрактограмм был выбран интервал углов 64°£2q£67°, в котором регистрируется дифракционный рефлекс (200) a-Fe (см. рис.6). Полужирным цветом выделены изменения, в сравнении с предыдущим этапом.

Рисунок 6 – Фрагменты рентгеновских дифрактограмм слоистой системы AlBe(2 мкм)Fe(10 мкм) после изохронных отжигов 

После отжига при 600°C наблюдается смещение данного рефлекса в сторону меньших углов рассеяния 2q, что свидетельствует об увеличении параметра элементарной ячейки a, вследствие диффузии атомов Al в a-Fe. Сдвиг той же линии при увеличении температуры отжига (700°C и выше) в сторону больших углов рассеяния говорит об уменьшении параметра a из-за замещения атомов железа атомами бериллия. Таким образом, наблюдается очередность растворения напыленных компонентов в a-Fe, которая зависит от температуры отжига. При температуре отжига 850°C фиксируется практически полное совпадение дифракционных линий, полученных с обеих сторон образца, что соответствует приближению к концентрационному равновесию, когда градиент концентрации примеси становится близким к нулю. 

Заключение

В результате проведенных исследований термически индуцированных фазовых превращений в слоистой системе железо-алюминий-бериллий, подвергнутой последовательному изохронному отжигу в температурном интервале 300-900°C, установлена последовательность фазовых преобразований, определена характерная температура начала фазообразования и показано, что очередность растворения напыленных компонентов в матрице a-Fe зависит от температуры отжига.

Список использованной литературы:

1. Кадыржанов К.К., Керимов Э.А., Плаксин Д.А., Русаков В.С., Туркебаев Т.Э. // Поверхность. №8. С.76.
2. Русаков В.С., Кадыржанов К.К., Суслов Е.Е., Плаксин Д.А., Туркебаев Т.Э. // Поверхность. №12. С.22.
3. Русаков В. С. Мессбауэровская спектроскопия локально неоднородных систем. Алматы, 2000. 430 с.
4. Русаков В. С. // Известия РАН. Серия физическая. 1999. №7. С.1389.
5. Huffman G. , Ficher R. M. // J. Appl. Phys. 1967. V.38. №2. P.735. 6. Ohta K. // J. Appl. Phys. 1968. V.39. №4. P.2123.
6. Kadyrzhanov K.K., Rusakov V.S., Turkebaev T.E., Kerimov E.A., Lopuga A.D. // Nucl. Instr. Meth. 2001, v.174B, p.463.