Диффузия кислорода в альфа-титане тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

9 -I г, о 9 г

российская ттт шк

уральское отделение ошна ттаового красного ЗНШНИ институт физики изтшов

На хфавах рукошгсв КУРЕННЫХ ТАТЬЯНА ЕВГЕНЬЕВНА

дишзш кислорода в ос - титанв

01.04.07 - Фюшса твердого тела -

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискпляе ученой степени каадиз ага фнэико-катемапгеескаг наук

Екатеринбург 1992

Рейс та выполнена в отделе дшйувионных ввмшШ Ордена Трудового Красного Знамени Института физики металлов УрО РАН.

Научные руыэ водители - доктор физ.-ыат.наук КЛОЦМАН C.U.

- кандидат фаз.-мат. наук ВЫХОДЕЦ В.Б.

Официальные одданенты - Доктор фна.-мах.наук ВОЛОБУЕВ Б.В.

УШ ш1.С.М.Кирова,г.Вка»ршбург

- доктор фаз.-мат.неук КУРКИН Ы.И.

ЮМ ЯрО РАН,г.Екатеринбург

Ведущее цредгфватие - Институт металлургии УрО РАН

г.Екатерянйург

Защита состоится " .7 0%1),(JL$-< - 1992 р. в_„часов на заседании снациаяивированной совета К'002.03.01 цре Институте фшики металлов УрО РАН ш адресу: 620219 г-Екате-риьЗург,ГСП-170,ул.С.Коьалевской 18.

С диссертацией можно па накопиться в библиотеке Института физики кетадлов УрО РАН.

Аьтореферат ршослан " М ■ /¿^¿/^-УГс—-1992 г,

Учений сеедетерь сшцаыивировглнсго соьета у

каццедат физ.-ыат.наук P. j 'АЛ АХОВ

РОССИм<*кдя

»СУДА;-. .. . .. ,цЯ БИБЛииГь'ЛА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО'Ш.

Актуальность работы. Практическая значимость данных ш взаимодействию легких элементов с метемдал, особенно в случае широко используемых конструкционных материалов,обусловила постановку большого числа соответствующих зксперименталь-ных исследований. Однако .многие важные вопроси .необходимые для понимания механизма миграции внедренных атомов ,юс взеи-модейстЕия с дефектами кристаллической решетки и влияния этого взаимодействия на коэффициенты диффузии,к настоящему времени остались невьясненнши.Зто связано с тем,что существующие экспериментальные методика не обеспечивали необходимой точности измерений.Результаты различных работ по измерению коэффициентов диффузии характеризовались большим разбросом, а исследования таких тонких эффектов,как аягзотрошя а концентрационная зависимость коэффициентов диффузии.во многих важных случаях вообще не были выполнены.Использование в данной работе методики ядерных реакций и осуществление корректной постановки диффузионного экспериденга позволила обеспечить уровень измерений коэффициентов даЦфузни легких элементов в металлах,близкий к достигнутому ранее в 1®тоде редас-активных индикаторов для атомов тяжелых актантов, а на этой основе с высотой точность« измерить параметры температуркай зависимости коэффициентов диффузии кислорода, мшзотрошт и концентрационную зависимость геэффициен?ов диффузии кислорода в <?С - титане.Экспериментальные результаты,полученные в работе,использованы для развития теоретических представлений о механизма миграция внедренных атомов я их взаимодействии с дефектам* кристаллической ресетки.

• Научная новизна^ В работе виервые :

- выполнена корректная постановка прецизионного диффузионного эксперимента по измерение коэффициентов диффузии легкою элемента в металле V

- обеспечен уровень измерений коэффициентов диффузии и других диффузионных ларгметров легких элеменгов,дос1игнутнй в методе радиоактивных индикаторов для томов.оброзуыцих и ме~

- Я -

таллах растворы замещения ;

- проведено прецизионное экспериментальное исследование диффузии кислорода в о(. -титане,включавшее исследование температурной зависимости коэффициентов ди^Фубии,анизотропии диффузии и концентрационной зависимости коэффициентов диффузии кислорода.

Практическое значение работы, ода определяется тем,что значения параметров диффузионных процессов необходимо использовать для решения технологических задач,связанных с жэго-влением, выбором оптимальных режимов эксплуатации и обработки изделий из титана и его сплавов.

Достоверность полученных результатов. Она обеспечивается :

- созданной технологаей диффузионного эксперимента ( применением методики ядерных ре акций, позволяющей проводить прямые измерения концентрационных профилей диффузанта, использованием мало распространенного изотопа кислорода в качестве диффузанта,наличием низких концентраций изотопа кислорода 180 в диффузионной зоне я т.д. ) ;

- тщательной отработкой всех использованных методик ;

- постановкой многочисленных контрольных опытов,гарантирующих правильность измерений ;

- использованием двух кардинально различающихся да своим фазическнм принципам методик (вторичной ионной масс-спект-рометрии и ядерных реакций ] для измерения коэффициентов диффузия кислорода ;

- комплексной аттестацией образцов на кеадом этапе диффузионного эксперимента ;

- подробным анализом ошибок на различных этапах эксперимента ;

- использованием аттестованных средств измерения.

Основные положения.выносимые на защиту : - параметры температурной зависимости коэффициентов ди$фу-

_ 4 _

эия кислорода в -титане в интервале температур 773 -923 К : пред экспоненциальный множитель Ч)0 = (1,15дО,21) саР/с и энтальпия активации 0. = (205^1) кДж/моль ;

- значения анизотропии коэффициентов диффузии кислорода в

<к - титане в интервале температур 773 - 923 К; отношения ^^Г ЕЕ менялись о? 0,93 ло 0,83 и ушншачксь с ростом температуры, точность измерения бша I - 2 % ;

- концентрационная завзсга.юсть коэффициентов диффузии кислорода в сплавах титан - кислород (от 0 до 10 е.т.% киалорода) ври 857 К и температурная зависимость коэффициентов диффузии кислорода в сплаве титан - 7 кислорода в интернате температур 773 - 923 К; концентрационная зависимость яыеет сложный характер; наряду с общей тенденцией уменьшения коэффициентов диффузии изотопа с ростом концентрации лет'ярувдв-го элемента *60,имеатся два экстремума : минимум вря 1,5 ат$ и максимум при 2,7 ат.#; для сплава титан - 7 кислорода температурной зависимости эффекта ш сбнаружоко ;

- заключения о механизме атомных перескоков внедренных атомов в решетке титана и влиянии взаимодействия внедренных атомов между собой на коэффициенты диффузил изотопа

Апробация работы.Основное содержал;» работы докдедываг-лось на : '

- Есе союз ной конференции "Диффузия з мвтамгк я садавах" , Тула, 1986 г. ¿

- Международной конференции ТА - ей", Шнхряа.Бвт-латонфюред, 198С г. ;

- Всесоюзном совещании "Макроанализ иа жнкых щчкек" .Харьков, 1988 г. ; *

- Всесоюзной школе иДа$фузвя и дофэкта* ,Шрмь - Куйбкшэв -Пермь, 1989 г. ;

- Международной конференции "Даффузия и дефекты, в твердых тела; И - 91 Мэсква - Пермь, 1991 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит № введения,пяти глав и Еьводов.Она содержит У5"3 страницы текста, в том числе 9 таблиц , рисунков, Си о-

- 5 -

лиографическнх ссылок.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении отражена ситуация,которая сложилась в исследованиях диффузии легких элементов в твердых телах.Наказано, что прогресс .обусловленный применением метода радиоактивных индикаторов,не повлиял на уровень экспериментальных исследований диффузии атомов внедрения.Это,в свою очередь,не могао не сказаться на развитии теоретических представлений о механизме миграции внедренных атомов.Существенный прогресс в измерении диффузионных характеристик легких элементов в твердых телах может быть связан с использованием методики ядерною микроанализ а.Дана общая характеристика работы.

В первой главе дан обзор литературы по исследованию диффузии кислорода в -титане.Анализ рассмотренных работ показал ,что экспериментальные данные по коэффициентам диффузии кислорода в «С -титане характеризуются большим разбросом,например,в интервале температур 973 - 1173 К он составил два порядка,что указывает на высокий уровень систематических ошибок.Шказано.что такое соложение обусловлено несовершенством используемых технологий диффузионного эксперимен-' та.В первую очередь может быть отмечено использование косвенных методов измерения концентраций,неконтролируемое поступление кислорода в образцы во время диффузионных отжигов,высокие значения концентраций кислорода в диффузионной зоне. Достоверных экспериментальных данных по анизотропии и концентрационной зависимости коэффициентов диффузии кислорода в <¡4. -титане нет.

Во второй главе описываются физические принципы и характеристики метода ядерных реакций.экспериментальная установка,ее функциональные возможности и технические характеристики, технологии подготовки образцов и изготовления сплавов

- 6 -

титан-кислород для исследования .методики создания диффузионных источников и проведения диффузионных отжигов.Приводятся результаты аттестации образцов на каждом этапе диффузионного эксперимента.Описывается методика измерения концентрационных профилей диффузанта с помощью адерной рзакции 180 (р, о(.)15Л/ и вычисления коэффициентов диффузии изотопа кислорода 180 , оценивается уровень систематических ошибок при измерении коэффициентов диффузии при совместном использовании методов ядерных реакций и вторичной ионной маос-сиектроыетрил.

работа выполнена на электростатическом ускорителе Ван-де-1раафа ЭГ-2М-1 отдела диффузионных явлений Института физики металлов УрО РАН.

Работа проводилась на монокристаллах -титана.Для исследования вырезались образцы с рабочей поверхюстью,параллельной и перпендикулярной зфисталлографвгческой оЬи с ЩУ кристалла,а такие образцы с произвольной ориентировкой.Для изучения концентрационной зависююсти диффузионным путем готовились сплавы Т£. - с концентрациями кислорода до 10 ат./¿.Концентрации изотопа кислорода измерялись с пош -щью адерной реакции ^.Комплексная аттестация

образцов, про веденная с использованием методик вторичной ионной масс-спектроиетрии (ВШС) «ядерных реакций (яр) «оптической микроскопии и метода Лауэ .показала,что :

- исходные монокристаллы являются мозаичными с размером блоков 300 - 500 мкм ;микронапр.я«ения,ыакродефекть ь них отсут-ствуют;на поверхности образцов имеется оксидная пленка толщиной 5 ны ;не зафиксировано обогащения поверхностных слоев металла,контактирующих с пленкой, атомами внедрения ( кислородом, азотом,углеродом и водородом ) ;осйовной цримьсью в об-, разцах был кислород «концентрация которого составляла 0,05 ат.£ содержание других примесей внедрения было более чем на порядок ниже ;

- тазовасыценные образцы оставались монокристаллическлми , они били напряженными и однофазными ;до глубины около б мкм с точностью I - 2 % зафиксированы постоянные концентрации изотопа 160 -.содержание азота и углерода в этой зоне было в 30 - 40 раз лике .чем основного легирующего элемента.

На тоской повзрхности обравцов создавали тонкий диффу-- 7 -

зионннй источник в ивде окисной пленки 7*1 Од толщиной 30 нм, обогащенной на 80 % изотопом 18О.При реализованных в работе условиях эксперимента максимальная концентрация нзотода в диффузионной зонз после отжига бия а не более I ат.^.Выбор в качестве диффузанта 18о связан с тем,что это мало распространенный изотоп кислорода,в образцах и атмосфере он практически отсутствует н неконтролируемое поступление его в диффузионную зону во время отжигов исключено.

Диффузионный отжиг образцов проводили в цилиндрических титановых обезгаженных и вакуумированных контейнерах.Б одном контейнере при отжиге в непосредственной близости друг от друга, т.е. при одинаковой температуре,всетоа размещались два образца : либо монокристаллы,имевшие различную кристаллографическую ориентировку ( для исследования анизотропии коэффициентов диффузии ) ,ле6о монокристаллы чистого титана н сплава /I - с одинаковой кристаллографической ориентировкой (для юучения концентрационной зависимости) .Последнее окат-зал ось необходимым из-за анизотропия коэффициентов диффузии кислорода в ГПУ решетке <к. -титана.Температуру отжига измеряли хромел ь-алюмеле вой термопарой .предварительно отхредуи-рованной да образцовой дсатина-шатинородиевой термопаре.Во время отжигов высокотемпературный спай измерительной термопары устанавливался в специальное углубление в крылке контей-нера.Холодный спай находился при 0° С.Абсолютная точность взмеронея температуры образца была не хуже 2°,статистическая ошибка в определенна температуры диффузионного отжига составляла 1°.|'ремена выхода образцов на температуру и охлаждения до комнатной составляли ю 90 с.

Концентрационные профили с(х) после отяигов измеряли с помощью ядерной реакции ( р,<*-)15/\/ .Координатные распределения измеряли до глубин 1,5 мкм.ьри этом изменение концентраций изотопа *80 достигало двух порядков.Вычисление концентрационных лпофилей осуществлялось с помощью процедуры сразнения сшктроь мерных реакций от образца-ставдарта с постоянной по глубине концентрацией диффузанта и исследуемого образца.

На рис.1 приведено полученное методом ЯР типичное координатное распределение изотопа ^О.Для большей части диффу-

- 8 -

«г1 ю*

Рис Л. Распределение юотопа *в0 после диффузионного с'тига,измеренное методами БИМС и ЯР.

зионной зоны наблюдается линейная зависимо с гъ ф с(Хг) , соответствующая использование мгновенного источника диффузии при коэффициент аг диффузии,не -зависящих от координаты. С помощью метода для образца чистого титана (Зыко доказано, что линейглй участок зависимоста

в действительности цростирается на пять порядков ю концентрации вшють до фонового содержания изотопа в образце ( рис.!) .Это обстоятельство делает корректнш вычисление значений коэффициентов диффузии по линейным участкам зависимостей & с (эс^ .Положи -тельные отклонения от линейной зависимости ЦЦС(Х.) на начальных участках диффузионной зоны связаны с концентрационной зависимостью коэффициентов диффузии кислорода.

Созданная в реботе технология диффузионного эксперимента . ( методика подготовки образцов,способ нанесенля источника диффузии .использование в качестве диффузента мало распространенного изотопа кислорода 180,методика проведения дврфу-зчонннх отжигов, низ кие концентрация диффузанта от I в.т.% до 0,01 вя.% в диффузионной зоне ) и применение метода ядерных реакций для прямого измерения концентраций легкого элемента в образце поз иол или провести прецизионное исследование диффузии кислорода в ск -титане .

. В третьей главе даны результаты измерения температур -ной зависимости коэффициентов диффузии изотопа кислорода в ск. -титане л их обогащение.На рис.2 приведена температурная зависимость коэффициентов диффузии кислорода в </, -титк-

- 9 -

-11

бьо еоо ир 5во Ь'С

не и график отклонений экспериментальных точек от Арренм-усовской зависимости,пункти-ром указаны ожидаемые среднеквадратичные ошибки измерений коэффициентов диффузии. Представленные результаты характеризуют уровень из мере -ний .достигнутый в данной работе : значения ко&ффицнен -то в ди|фуэия определены с

1,1' V V _!£.'. К1

точностью в несколько процентов,энергия активациг - в

.0,0 ^экспериментальные точ-

ки укладываются в полосу ¿5%. Этот уровень измерений типи-Вю.2. Температурная зависи- ' чен прецизионных исследо-мость коэффициентов диффузии ваний,выполняемых методом ра-

для диффузионных исследований легких ¡элементов в твердых телах он достигнут впервые .Для определения уровня систематических опибок было выполнено одно -временное измерение коэффициента диффузии в монокристалле <К- -титана с помощью методов ЯР и ВИМС (прибор 1М5-зР " САМЕ С А " ] .Значения коэффициентов совпали с точностью ^ 1.5

Сравнение диффузионных параметров,полученных в данной работе,с аналогичными результатами других авторов показало, что при использовании прямого метода измерения концентраций наблвдается согласие экспериментальных дакнрх в пределах указанных погрешностей,тогда как использование косвенных методик намерения концентраций приводит к разбросу результатов на порядки.

В четвертой главе представлены результаты измерения анизотропии коэффициентов диффузии кислорода в Ш7 решетке о(.-титака и их обсувдешк льмерения анизотропии коэффициентов диффузии дают важную информацию о топологии потенциальных

барьеров при миграции атомов и механизме их диффузии.Ввиду

- 10 -

кислорода в ск. -титане

диоактивных ивдикаторов, а

обычно небольшой анизотрошш,экспериментальные работы этою плана относятся к ршрдду наиболэе трудоемких и прецизионных. В литературе на необходимом уровне точчости выполнено всею несколько работ,причем все они проведены методом радиоактивных ивдккаторов и только для атомов тяжелых элементов.В этой работе соответствуицае данные впервые получены для легких аде ментов.Они приведены з таблица ,1де Фмс и Фус - коэффициенты диффузии кислорода в направлениях,параллельном и перпендикулярном оси с 11ХУ кристалла,соответственно.

Таблица.

Анизотропия дк$фузии кислорода в Л -титане.

Т, К ,773 8 54,9 922,8

ФнС ' '

0,33^0,02 0,87^0,01 0,83д0,02

Видно,что наолвдается температурная зависимость анизотропна, ее значения невзлики.Влнягия ояибск,связанных с температурой отжига и определением глубин при профильном анализе .удалось избезсьть за счет соответствийй организации даЗфуз ионных от-жзгов и едернофгаического экспзрвдлента.® темшршуркой зависимости экспериментальных значений Фцс /Фхс била определена анизотропия средзксдакзнцяаяших шкжктоздй иозадфтшеьтов диффузии (Янс/ФкЖ- 0,46д0,04 а акдастропяч энергия активации д б = (0,047^0,006) эВ. Получении даннш были использованы для идентификация моханйама иерегшкоз атомов кислорода в оС -тиг&еь.Разработаны два мехеквзма атомных пере -скоков. По одному ю не: [ I ] н ыассо пере носу вдоль оси с кристалла црииодят перескоки чзр.з плоскости,параллельные базисной,а перескоки в направлениях,перпендикулярных оси с , обеспечивают мае со перо нос в базисной плоскости. Предполагается, что щ)и перескоке локализации атомов кислорода в тетрада-ре не происходит .Для такого механизма

1де С. и а. -параметры решетки <к. -титана.Ридно .что теоретическое значение £ тактически совпадает с устанонлея-

- и -

ньм в нжем эксперименте.Цри другом механизме [ 2 ] к массо-переносу вдоль оси с кристалла приводят не только перескоки через плоскости,параллельные базисной,ко и частично перескоки б направлениях,перпендикулярных оси с .Это происхо -дит за счет реализации варианта перескоков окта -*• тетрр тетра окта,т.е. етом кислорода локализуется в двух тетра-порах.Перескоки в направлениях, перпендикулярных оси с ,с локализацией в одной тетраюре приводят к мае со пере носу в базисной плоскости ГПУ кристалла.При таком механизме диффузии

анизотропии цредэкспоиенциальных множителей практически не наблвдается.На этом основании можно утвервдать.что для ато -мо в кипород а в -титане реализуется механизм перескоков, предложенный в [ I ] ,т.е. непредполагаиций локализации внзд-ренных атомов в тетраэдрических междоузлиях.Полученное значение анизотропии энтальпии активации диффузии свидетельствует о том,что перескоки атомов кислорода в направлении оси С кристалла связаны с меньшей высотой потенциального барьера,чем перескоки в базисной плоскости.Этот результат может быть обусловлен только одним обстоятельством - неправильной формой октаэдра,формирующего соответствующее междоузлие. Действительно,цри правильной форме октаэдра и вдеальной упаковке атомов матрицы отношение постоянных кристаллической ГПУ решетки с/а должно составлять (8/з) = 1,63 ,для д, -титана оно отличается от этого значения и равно 1,587. Оценки с помощью теории упругости,выполненные в [2 ] .доказали, что ожидаемое значение анизотропии энергии активации в этом случае должно составлять 0,03 эВ.Видно,что оно близко к экспериментально наЗладаеыому.

Таким образом,прецизионное исследование анизотропии коэффициентов диффузш позволило идентифицировать механизм атомных перескоков кислорода в Л - титане и впервые экспериментально показа ,что отклонение от идеальной упаковки атомов матрицы в ГПУ решетке приводят к анизотропии энергии активации мевдоузельных атомов.

В пятой главе представлены результаты измерения концентрационной зависимости коэффициентов диффузии кислорода в

- 12 -

титане и их обсуждение.Исследование концентрационных- зависимостей коэффициентов дв£фузьи дает важную информацию о механизме дв|фузии * взаимодействии мигрирующих атомов мехду собой. Система титан-кислород в этом смысле представляет существенный интерес вввду широкой области гомогенности соответствующих твердых растворов.Б А. -титане растворяется до 33 вх.% кислород а. В работе исследовалась не собственно зависимость %(с) ,а зависимость отнопений ^ (с) /'/)? (О) коэффициентов диффузии изотопа кислорода в сплаве титан-кислород и чистом металле при постоянной температура и при одинаковой кристаллографической ориентировке обоих образцов.Такие данные характеризуются белее высокой точностью и информативностью. №отспная чувствительность метода ядерных реакций позволила провести прямые измерения концентрационной зависимости. Для исследования были приготовлены диффузионным насыщением сплавы титана с различными концентрациями изотопа кислорода (от 0 до Ю в.т.% ) .На этих объектах измерялись коэффициенты

ТА

диффузии изотопа кислорода -"^.Результаты измерения приведены на рис.3.Видно,что зависимость сложная : наряду с общей

тенденцией уменьшения коэффициентов диффузии с ростом концентрации кислорода,имеются минимум при 1,5 а.т.% и максимум при 2,7 в.1.% кислорода. Образцы,на которых проводились измерения крнцен-трационной зависимости, -имели в основном случайные 1фистаяло1р8фические ориентировки.В нескольких случаях ( в том числе для концентраций вблизи экс-

АвЯ

йс.З. Концентрационная зависимость коэффициентов диффузии кислорода в. Л - титане.

тр_ему?.юв ) использовались образцы .рабочая поверхность которых была параллельна или перпендикулярна оси с ГПУ решетки титана.Влияния кристаллографической ориентировки образцов на ход концентрационной зависимости '^¿(с)/$)г (о) не обнаружено Для сплавов,содержащих около 7 &т,% кислорода,были проведены измерения температурной зависимости отношений коэффициентов диффузии (с.) ^^ (о) .Разность энтальпии активации диффузии в чистом титане, и сплаве этого состава была получена равной (0,016^0,018) эВ.т.е. достоверно не отличается от нуля.Таким образом наблвдаемое на опыте уменьшение коэффициентов диффузии кислорода при легировании титана кислородом,во всякой случае длч составов вблизи 7 ат.$,не обусловлено увеличением энтальпии актьвацик диффузии.

• Обсуадение результатов измерения концентрационной зависимости проведем в два этапа. Сначала рассмотрим основной эффект - уменьшение коэффициентов диффузии с ростом концентрации кислорода,а затем - экстремумы на 1фивой ^ (с)/Я)(, (О) .

Обычно уменьшение коэффициентов диффузии при легировании связывают с близкодействующими эффектами блокировок и ловушек.Однако установленный в работе фак^ одновременного уменьшения коэффициентов' диффузия и независимости антальшш активации диффузия от легирования противоречит большинству моделей,предложенных в литературе .Для примера на рис.4 приведена расчетная кривая (с) /фг (о) для одной из таких моделей [з ] .Видно,что удается лэдобргть значения энергии

Рис.3. Концентрационные зависимости

фг(с)/%(о): 1 - экспериментальная, 2 - рассчитанная по модели [ 3 ].

Щ С,а«1

связи атомов кислород а, при которых наблюдается практически идеальное согласие расчетных и экспериментальных данных го '^¿(с)/£>£(о) щ>и концентрациях изотопа 16о в твердых растворах с С 1.5 ея.% и С > 5 атД.ОДнако.в в то Я модели [з ] должна неблвдаться весьма значительная температзфная зависимость отношения 'Ъц (с) /^/¿^.соответствующая разность энтальпий активации диффузии должна составлять 0,081 эВ.1$и достигнутой в работе точности измерения она должна была быть зафиксирована.Полученной совокупности экспериментальных данных не противоречит только вериант теории диффузии .предложен ный в [4 ] .В этой модели атомы примеси вызывают изменения потенциального профиля для мигрирующей частицы только в первой координационной сфере и являются ловушками для других примесей.Образующиеся комплексы из атомов примесей являются не под важными. На рис.5 приведена кривая для случая,кощ а комплексы состоят только вз двух атомов.Расчеты были проведены с помощью выражения : Л.

Ъг(о)

± С 2э<р.

~Эор.

= 2г.

(2 л и. \

ЩО Саш.%

Рис.5, концентрационные зависимости I - экспериментальная, 2 - рассчитанная по модели [4 |

для «д

2, - 10 и д и. = 0,025 эВ.

- 1Ь -

,.де - число позиций внедрения, блжжа&шх х атому примесж, л и - анергия взаимодействия точечных дефектов.црхходящаяся ни один атом примесм.Видно ,что кржвая 2 на рис.5 близка к экспериментальным давнш ори с ^ 1,5 ат.£ ж с > 4 вх.% а ир-шшьыо охосывает наблвдаеиое в эксперименте уменьшен» крова водьий (с)/», (о$) с ростом концентрации атомов при-

месх.Дая твердого раствора с концентрацией кислорода 7 ат.^ теория [4] предсхеаывает очень следую гемаврагурнус зависимость аффекта с анергией активадхх 0,018 аВ.что находится в цредедах экспериментально набладавмой величины (0,016 ± 0,018 ) ьВ.

Шрвйдем теиерь х обсуждению экстремумов на зависимости Ф^ (с) /фд (о) Обычно немонотонные концентрационные зависимости типа наблвдаешй в наших опытах связывают с хахями-л*-бо превращениями в сплавах,например,с атомным упорядочением, перестройкой ¡электронного спектра х т.д.Такие ¿ариангы трактовки опытных данных нельзя исключить ,хотя такая информация нам не известна.по этой причине было проанализировано ,не могут ли немонотонные концентрационные зависимости быть следствием нышчия в кристалле многих частот тресхоков внедрен-ни атомов,занимающих позиции,неэквивалентные в энергетичес-' ком отношении.Эта идеология с большим успехом использована для описания д я} фузии примесей занещения.Кроме частоты пери-скоков в чистой матрице,в рассмотрение были введены частоты ассоциативных .диссоциативных .ассоциативно-диссоциативных прыжков .частоты обмена местами меаду ближайшими атомами и

и частоты перескоков атомов *®0,для которых ближайшие междоузлия не заполнены атомами случае ассоциативных прыжков атомов 160 ближайшие к ним междоузлия в стартовой ш-ьшиш при перескоке не заняты,а в финишной позиции заполнены каким -то чистой а-омав диссоциативных прыжков ситуация обратная,щщ ассошатлшо-диссоциатввных перескоках-имеется как в стартовой, так и в финитной позициях.С учетом такою набора частот перескоков было получено выражение для ''Ь (с) ¡У)? (о) и на рис.6 приведены несколько характерных ;фииьис,ьассчи:'£ин'я "о ьтой модели.Кривая 1' соответствует сх-•¡•/мгик.&лзга атомы ^Ч; являются ловушками для атомов и оиьжремеыю блокируют бльлайыие шкруг себя меадоуэлия.Ввд-

- 16 -

Рис.6. Концентрационные зависимости ^(с)/^ (о), рассчитанные по многочгстотной модели.

но,что механизмы блокировки и ловушек цриводят к монотонному уменьшению коэффициентов диффузии.При этом с ростом концентрации, как и в наших экспериментах,наблвдаетсл уменьшение производной ^ (Я)^ (0)).Цри параметрах,использованных при расчете, кривой 2,кет температурной зависимости ^¿(с)/^ (5), что также наблвдаяось в наших экспериментах. Шяно отметить, что близки к экспериментальным оказались и сами значения

(с) (о) .Кривая 2 соответствует ситуации,когда также реализуются механизмы ловушек и блокировок,но частота некоторых ассоциативно-диссоциативных прыжков в три раза превышает частоту прыжков в идеальной решетке.Видно,что в этом случае имеет место немонотонная концентрационная зависимость коэффициентов' диффузии того же типа,что наблюдалась в экспериментах. Таким образом,не исключено,что наблхдаемые концен*-трационные зависимости коэффициентов диффузии обусловлены одновременной реализацией механизмов ловушек и блокировок ( или одного из них ) при диссоциативных и ассоциативных прыжках и тем,что некоторые частоты ассоциативно-диссоциативных прыжков превышают частоту перескоков в идеальной решетке.правда,обращает на себя внимание то обстоятельство, что экстремумы на концентрационной щ>яю& наблюдаются при

- 17 -

значительно более шсоких концентрациях ,чем в налах экспериментах. Анализ показал,что учет взаимодействия внедренных атомов в нескольких координационных сферах сдвигает похоже-нил экстремумов в сторону меньших концентраций легирующего элемента.

Таким образом,обсуадение полученных в работе 1фецизион-нах экспериментальных данных по концентрационной зависимости коэффициентов диффузии меченьк атомов в твердых растворах титан-кислород показ ало, что :

- уисньаенле коэффициентов дкффузии кислорода при легвровании Л -титана кислородом в о сливном обусловлено образованием

комплексов шв нар неподвижных внедренных атомов; соответствующая модель диффузии была сформулирована кривоглазом; для ограниченных концентрационных интервалов она количественно описывает набладаемую концентрационную зпвисшость; теория согласуется с экспериментом и с точки зрения температурной зависимости эффекта ;

- юеханизм немонотонного изменения коэффициентов диффузии в интервале концентраций кислорода от 1,5 до 4 в.т.% достоверно усач ловить не удалось; наиболео ьероятными представляются две причины соответствующих изменений : какое-либо превращение в сшивах.например,атомное ушрядочение,или сложная зависимость честот перескоков атомов диффузянта от конфигурации растворе итог атомов в ближайиих меадоузлиях.

ОСНОВНЫЙ ВДШДЫ РАБОТЫ.

.1. >отаиовльны параметры температурной зависимости коэффициентов диффузии кислорода в оС -титане в интервале температур 773-923 К ; цредэксшненциальны*: множитель 9)о =

( 1,15 ^ ОД'.') см2/с и энтаиьпая активации 0. т (206 д1) кДж/шль.

(йкшаю.чте о-жщения коэффициентов диффузии кислорода в направлениях,параллельном и трпевдикулярном оси с Ш реше-т ..< -титшш, с1\\г ¡Н')ц в интервале темце-рыур к вменились от 0,93 до 0.8Г- и уменьшались

С р.'СТиМ ТЫ1Ь р.'Л'ури.

'•■. -'чаниам перескоков атомов кислорода в

- 1Л -

л- титане ,дв$фузил атомов кислорода как вдоль оси с , так и в базисной плоскости,осуществляется через их перескоки из одного октаэдричесюго междоузлия в другое без локализации в тетраъорах.

4. Перескоки атомов кислорода в направлении,совпадающем с осью с кристалла,связаны с меньшей высотой потенциального барьера,чем таковые в базисной плоскости. Соответствующая резвость энтальпий активации составляет(0,047 ± 0,00б) «В.

5. Измерена концентрационная зависимость коэффициентов диффузии изотопа кислорода в сплавах титан-кислород'(от О до 10 ат.£ 1СЬ ) при 857 К и температурная зависимость коэффициентов диффузии потопа 180 в сплаве титан-7 ат.% Цэ в интервале темшратур 773-923 К.Концентрационная зависимость имеет сложный хор актор. Наряду с общей тенденцией уменьшения коэффициентов диффузии 0 о ростом концентрации легирующего элемента,1*^),имеются два гкэтремума : минимум при 1,5 ат.% и медешум при 2,7 ат.^.Для сплава титан-7 в.7.% Ч) температурной'зависимости эффекта не наблюдается.

6. Установлено,что уменьшение коэффициентов ди$ф?эш Еря легировании оС -титана кислородом в освоодэд ©бусломеко образованием комплексов зли пар нвшдвшныг. шздреквнх атомов. С£ормулгровгкная кривоглазом теория для охрензчэн-ных концентргздншнгк янтзрвгяов яолггестеэнно окаенвеет наблюдаемую концвнтррдыониуи завзсгаость*. Теория согласуется с экспериментом и о точкш зракия температурной заве- • сшости оффекта.Мэханкзм шмонотошого взменевия коэффициентов диффузии в интервале концентраций кисхорода 1,5 -

4 ат.% достоверно установить не удалось.Наиболее вероятный представляются две причины : какое-либо превращение в сплавах типа атомного упорядочения или сложная зависимость частот перескоков атомов ди$фузанта от конфигурации растворенных атомов в ближайших междоузлиях.

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 7 научных работах ;

А1. Р.Б.Выходец,С.М.Клоплан,Т.Е.Куренных я Др.Л"ЗЕФузия кис- 19 -

лорода в X - r¿ л.Анизотропия диффузии кислорода в «l~T¿.

ФММ, 198?,т.63,выл. 5,с.974-980. А2. в.Б.Б;аодец,С.М.Кяопман,Т.Е.Куренных и др.ДюЭДузня кислорода в <к- - Ti .III.Исследование дмйузии кислорода в т^рдых растворах системы Tú - 0 методом ядерных реакций.-фш,1987,т.64,ьып.6,с.И28-1Ш.

A3. В.Б.Выходец,И.КЛЪлубков,С.М.Клощаан,Т.Е.Куренных и др. диффузия кислорода в оС — T¿ ЛУ.Измерение юоэффицм&нтов диффузии кислорода в <A--Ti. методами ВИМС и ядерных реакций.-

J988,т. 66,вып.2,с.303-306. А4. В.Б.Выходец,С.М.Кпощан,Т.Е.Куренных и др.Диффузия кислорода в сЛ - Ti .У. Температурная зависимость коэффициентов д«|фуз ии кислорода. -<ШМ, 1989, т. 68, выи. 4, с. 723-727. А5. В.Б. Выходец, С.М.Кдоцман,Т.Ь. Куре иных Температурная зависимость анизотропии коэффициентов дщфузии кислорода в -оС -T¿ .-ДАН,1988,т.302,№ 6,с.1357-1359.

А6. Ь.Б.Выходец,С.М.Клоцман,Т.Е.Куренных Применение ядерного микроанаяша для исследования диффузии внедренных атомов в металл ах .-Материалы конференции "Микроанализ ра ионных пучках" ,1988,с.147-160.

А7. V.B.VyUhodetB,S.M.Klotaman,T.E.Kurennykh,A.D.Levin Iluclear microanalyuia and progresa in the research of the Interstitial atoa diffuuion in métele.-Defect and Diffusion . ]''oru»,v.66 - 69,p.341 - 347.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Browne K.M. Mechanical relaxation and diffusion of interatrial itomu iu hep metals.-Acta Met.,1972,v.£0,H4,p.507-514.

2. Berlin Y.A.,Pariaot J.,Gacougnolle J.L. Model atomiqua de diffusion de 1'oxygene dana le titaue -J.Leoe-Coinm., Ufct.,19tiO,v.69,Nl,p.I2X - I3B.

3. Klrohclm П. Solubility,diffueivity and.trailing of hydro-gun in dulite alloyc,deformed and amorphous matalo .ТТ,-¿irta Me t . ,I9e2,v.30,N6,p 1069 - 1078.

Кривоглаз М.а. Дефект» в твердых растворах,стабилизирующиеся при понижении температуры.- ФТТ,1970,т.12,вып.8, с.2445 - 2451.

Отпечатано на ротапринте !!ФМ УрО РАН тирвк 100 эак.105 объем I пвч.л. форпа? 60;с84 1/16 г.Екатеринбург 0.Ковалевской, 18