Моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных металлических системах

Актуальность темы

.

Развитие ядерной энергетики и аэрокосмической техники приводит к необходимости разработки, создания и использования новых конструкционных материалов, работающих в экстремальных условиях высоких температур, больших механических нагрузок, агрессивных сред и облучения. Разработка таких материалов представляет сложную и до сих пор не решенную научно-техническую задачу. Одним из возможных путей решения этой задачи является создание защитных покрытий или модификация поверхности существующих конструкционных материалов с помощью ионно-лучевых технологий [1−10]. К таким технологиям относятся, в частности, ионно-плазменное осаждение и ионная имплантация с последующей термической обработкой, которая приводит к пространственной направленности процессов диффузии и фазообразования, и в результате к образованию слоистой системы.

Для практического применения слоистых систем важно создать термически стабильное неоднородное распределение фаз по глубине образца. В связи с этим необходимо иметь правильное представление об особенностях термически индуцированных процессов, происходящих в слоистой системе. На протяжении последних нескольких лет методами мессбауэровской спектроскопии с привлечением данных рентгеновского фазового анализа проводятся целенаправленные исследования слоистых бинарных металлических систем [11−20]. Эти исследования позволили установить последовательность и характерные времена фазовых преобразований в приповерхностных соях и объеме систем, в ряде из них получить термически стабильное неоднородное по глубине структурно-фазовое состояние.

Для исследования процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах представляют интерес бинарные металлические системы на основе железа, содержащие Ве, А1, Бп, Ъг и Тл, полученные методами ионно-плазменного осаждения [11−20], а также имплантационные системы Ре: В+,.

Ре:С+, Ре:1Ч+ и Ре:0+ [21−25]. Для этих систем важно, что железо является основным компонентом многих конструкционных материалов. Другие компоненты слоистых систем могут значительно улучшить их свойства, например, механические свойства (прочность, пластичность, ковкость), радиационную и коррозийную стойкость, жаропрочность и теплопроводность, что позволит применить данные материалы в ядерной энергетике, аэрокосмической технике, автомобилестроении и других производственных областях.

Одним из эффективных методов исследования слоистых бинарных систем является компьютерное моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования на основе данных об их термодинамических свойствах и фазовых диаграммах равновесных состояний. Моделирование позволяет до проведения эксперимента на основе физических представлений о процессах, происходящих в неоднородных слоистых системах, предсказать поведение компонентов системы и образующихся фаз при произвольных температурно-временных режимах термического отжига.

Цель работы.

Целью настоящей работы являлась разработка метода моделирования термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых системах и его применение при исследовании бинарных металлических систем. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи.

1. Разработать физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с двумя и тремя изотопами двух элементов, а также в системах металл-металлоид.

2. Осуществить программную реализацию предложенных моделей, позволяющую количественно описывать термически индуцированные процессы в слоистых бинарных системах с произвольным начальным концентрационным профилем компонентов, с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах термических отжигов.

3. Смоделировать термически индуцированные процессы диффузии и фазообразования в модельных слоистых бинарных системах металл-металл для исследования процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состояния слоистой системы.

4. Смоделировать термически индуцированные процессы диффузии и фазообразования в экспериментально исследованных слоистых бинарных системах металл-металл с двумя и тремя изотопами, а также металл-металлоид.

Основные положения, выносимые на защиту.

Физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с тремя изотопами двух элементов и металл-металлоид.

Программная реализация предложенных моделей (программа DIFFUSION), позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в слоистых бинарных системах с произвольным начальным концентрационным профилем компонентов, с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах термических отжигов.

Результаты моделирования термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в модельных двухслойных системах металл-металл, позволившие установить характер и степень влияния особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний, коэффициентов диффузии и толщины системы на кинетику процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состояния слоистой системы и термически стабилизированный концентрационный профиль.

Результаты моделирования термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в экспериментально исследованных слоистых системах: металл-металл с двумя (Fe-Ti, Fe-Zr, Fe-Sn, Cu-Be) и тремя (57Fe-Ti-Fe (Ti) — Fe) изотопами, полученных с помощью метода магнетронного.

57 «Ь распыления, а также металл-металлоид (Fe:0), полученной методом ионной имплантации.

Вывод о том, что характер фазовых превращений в исследованных слоистых системах определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их диффузии и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловлена адекватностью использованных физических представлений и математических методов при решении поставленных задач, корректностью использованных приближений, результатами проверочных численных экспериментов, а также соответствием полученных в работе результатов расчетов известным экспериментальным данным.

Научная новизна.

Научная новизна работы определяется как предложенными физическими моделями термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах, так и их программной реализацией, что позволило впервые получить ряд важных результатов.

При моделировании термически индуцированных процессов в модельных двухслойных бинарных системах металл-металл установлены характер и степень влияния особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний, коэффициентов диффузии и толщины системы на кинетику процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состояния слоистой системы и термически стабилизированный концентрационный профиль.

Показано, что результаты моделирования процессов термической диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах Fe-Ti, Fe-Zr,.

57 • •⁷ 57.

Fe-Sn, Cu-Be, Fe-Ti-Fe (Ti)-" Fe и Fe: Q хорошо описывают экспериментально установленные с помощью методов MSи CEMS-спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии последовательности фазовых превращений и относительное содержание образующихся фаз на всех этапах различных температурно-временных режимов отжига. При этом впервые на каждом этапе рассчитаны локальные концентрации компонентов, относительные содержания образующихся фаз, коэффициенты диффузии и диффузионные потоки компонентов на любой глубине слоистой системы, а также положение границ однофазных областей.

Сделан вывод о том, что характер фазовых превращений в экспериментально и теоретически исследованных слоистых системах определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их диффузии и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний.

Научная и практическая значимость.

Предложенные физические модели и их программная реализация (программа DIFFUSION) вносят вклад в разработку методов математического моделирования и могут быть использованы для предсказательных расчетов параметров процессов С диффузии и фазообразования в слоистых бинарных металлических системах с произвольным начальным концентрационным профилем компонентов, с учетом особенностей их фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах отжига.

Моделирование с помощью созданной программы DIFFUSION позволяет получить новую, трудно доступную экспериментальным методам исследования, информацию о деталях процессов диффузии и фазообразования в слоистых металлических системах.

Полученные в диссертации результаты моделирования термически индуцированных процессов позволяют дать научно обоснованные рекомендации при разработке методов направленной модификации приповерхностных слоев металлических материалов с целью улучшения их поверхностных свойств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы.

1. Предложены физические модели термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в слоистых бинарных системах металл-металл с тремя изотопами двух элементов и металл-металлоид. В основе физических моделей — линейная термодинамическая теория неравновесных процессов, механизм взаимной диффузии компонентов по непрерывным каналам фаз в двухфазных областях системы и предположение о квазистационарном процессе фазообразования.

2. Осуществлена программная реализация предложенных моделей, позволяющая количественно описывать кинетику термически индуцированных процессов в слоистых бинарных системах с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний при произвольных температурно-временных режимах термических отжигов. Для сравнения с результатами экспериментальных исследований на всех этапах процесса в программе предусмотрен расчет относительных интенсивностей парциальных мессбауэровских (МБ и СЕМ8) спектров, а также относительных содержаний образующихся фаз в атомных единицах компонентов в области проникновения в слоистую систему рентгеновского излучения.

3. Проведено моделирование термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в модельных двухслойных бинарных системах металл-металл, которое позволило установить характер и степень влияния особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний, коэффициентов диффузии и толщины системы на кинетику процесса термической стабилизации неоднородного по глубине структурно-фазового состояния слоистой системы и термически стабилизированный концентрационный профиль.

4. Впервые проведено моделирование процессов термической диффузии и фазообразования с учетом особенностей фазовых диаграмм равновесных состояний для экспериментально исследованных слоистых систем: металл-металл с двумя (Fe-Ti, Fe-Zr, Fe-Sil, Cu-Be) и тремя (57Fe-Ti-Fe (Ti)-57Fe) изотопами, полученных с помощью метода магнетронного.

57 «Ь распыления, а также металл-металлоид (Fe:0), полученной методом имплантации. Результаты моделирования хорошо описывают экспериментально установленные с помощью методов MSи CEMS-спектроскопии и рентгеновской дифрактометрии последовательности фазовых превращений и относительное содержание образующихся фаз на всех этапах различных температурно-временных режимов отжига исследованных систем, в том числе процессы термической стабилизации в системах Fe-Zr, Fe-Sn и Cu-Be.

5. При моделировании термически индуцированных процессов диффузии и фазообразования в исследованных слоистых бинарных системах на каждом температурно-временном этапе впервые рассчитаны локальные концентрации компонентов, относительные содержания образующихся фаз, коэффициенты диффузии и диффузионные потоки компонентов на любой глубине слоистой системы, а также положения грациц однофазных областей.

6. Согласие численных расчетов с экспериментальными данными указывает на то, что характер фазовых превращений в исследованных слоистых системах в соответствии с предложенными физическими моделями определяется изменением локальной концентрации компонентов в процессе их диффузии и соответствует особенностям фазовых диаграмм равновесных состояний.