2.3.2. Кристаллизация аморфных сплавов
Помимо порошковой металлургии, получение объёмных нанокристаллических материалов выполняется кристаллизацией объёмных аморфных сплавов [19]. Для этого необходимо получение, собственно, объёмных аморфных сплавов и выполнение их кристаллизации. Получение объёмных аморфных сплавов производится закалкой из расплава, либо обработкой в шаровых мельницах с последующим компактированием, либо интенсивной пластической деформацией. Определяющее значение для аморфизации имеет химический состав сплава. Традиционным способом получения аморфных сплавов является легирование элементами-аморфизаторами: углерод, фосфор, бор и цирконий [20]. Наиболее распространённым и изученным способом получения объёмных аморфных сплавов является закалка из расплава. Толщина получаемой ленты в этом случае не превышает 50 мкм. Максимальные размеры объёмных аморфных сплавов, достигающие десятков миллиметров, были получены при закалке из расплава стержней из сплава на основе циркония [19]. Получение объёмных аморфных сплавов циркония возможно только при использовании высокочистых исходных компонентов и методов левитационной и дуговой вакуумной плавки.
В соответствии с [1] наноструктурированные материалы можно получиться охлаждением расплава спинингованием (Рис. 24). Металл расплавляется с помощью радиочастотных катушек и выдавливается через форсунку с образованием потока жидкости, который непрерывно набрызгивается на охлаждаемый изнутри металлический барабан, вращающийся в атмосфере инертного газа. Так образуются полосы или ленты толщиной от 10 до 100 мкм.
Полученный спинингованием сплав системы алюминий-иттрий-никель-железо, состоящий из 10-30 нм частиц алюминия, встроенных в аморфную матрицу, имеет предел прочности, превышающий 1,2 ГПа.
Рис. 24. Схема установки для получения наноструктурированного материала посредством быстрого охлаждения и отвердевания расплава на холодном вращающемся барабане.
Другой способ получения наноструктурированных материалов, называется газовой атомизацией, состоит в охлаждении расплава с помощью высокоскоростного потока инертного газа (Рис. 25).
Этот метод можно использовать для крупномасштабного производства наноструктурированных порошков, из которых впоследствии методом компактирования можно получить объёмные образцы.
Исследования [19] выделяют две перспективные для практического использования системы химических элементов:
Рис. 25. Схема установки для получения капель металлических наночастиц газовой атомизацией.
Fe (Mo, Cr, Ni, Co, W, Al…)-P-C и система Fe(Ni, Cr, Mn…) Nb-B, имеющие ряд преимуществ:
-отсутствие активных элементов (цирконий, титан, редкоземельные);
-низкие температуры плавления – 910-1120оС;
-отсутствие взаимодействия расплавов с материалом тигля;
-низкие критические скорости охлаждения расплавов;
-возможность использования современных металлургических технологий комплексного рафинирования и термообработка расплава.
Для обеих систем характерно наличие гладкой зеркальной поверхности с аморфной структурой, повышающей износо- и коррозионную стойкость материалов. Сплавы обеих систем в аморфном состоянии - магнитотвёрдые, а в нанокристаллическом состоянии – магнитомягкие. Стеклообразующая способность системы железо-фосфор-углерод несколько ниже, чем у сплавов железо-ниобий-бор, однако, пластичность выше. Высокая твёрдость по Виккерсу сплавов системы железо-ниобий-бор в аморфном состоянии (11 ГПа) повышается ещё больше при переходе в нанокристаллическое состояние (18 ГПа). Для сплавов железо-ниобий-бор характерна также высокая магнитная проницаемость и высокое удельное сопротивление. В настоящее время методами закалки из расплава получены ленты толщиной 30-50 мкм, стержни диаметром 2-4 мм и гранулы диаметром 1-4 мм [21].
В процессе интенсивной пластической деформации возможна аморфизация материала. Например, при кручении под высоким давлением при комнатной температуре никель-титановых сплавов с памятью формы в зависимости от исходного состояния формируются разные структуры: аустенитная исходная структура приводит к нанокристаллической, мартенситная – к аморфной [22].
Представляется перспективным использование аморфно-нанокристалличеких сплавов на основе железа для изготовления режущего инструмента, высокоэнергетических пружин, электромагнитных устройств и износостойких деталей [3].
В алюминиевых сплавах, легированных железом, никелем, лантаном повышение пластичности при сохранении высокой прочности способствует формированию смешанной аморфно-нанокристаллической структуры после термообработки и интенсивной пластической деформации при 20оС сдвигом под давлением 8 ГПа [23].
Для оптотехники заслуживает особого внимания управление механическими свойствами консолидированных аморфно-нанокристалличеких материалов короткоимпульсным лазерным излучением [24].
Перспективным способом получения нанокристалличеких материалов является контролируемая кристаллизация аморфных многокомпонентных металлических сплавов. Однако такие материалы характеризуются низкими параметрами пластичности. Для практического применения аморфно-нанокристалличеких сплавов необходимо проведение дополнительной обработки с сохранением нанокристаллической структуры. Для реализации этого необходимо минимизировать время термической обработки, при которой возможно разрушение нанокристаллической структур или проведение избирательной обработки аморфной и нанокристаллической составляющих и пограничного слоя между ними. Указанную обработку можно реализовать при использовании лазерных импульсов наносекундного диапазона [24], когда время пребывания материала при высоких температурах мало, и возможна реализация селективной обработки аморфной и нанокристаллической составляющих.
Перспективы использования именно лазерного излучения заключаются в том, что лазерное излучение с его энергетическими, спектральными, пространственными и временными характеристиками можно использовать для эффективного управления самыми разнообразными процессами в твёрдых материалах [25]. Для большой совокупности процессов оказывается возможным подобрать режимы воздействия, позволяющие избирательно воздействовать на процессы в твёрдом теле. Каждый элемент структуры, каждая система дефектов имеет свои особенности, свои каналы воздействия, что определяет перспективы селективного модифицирования наноструктур в консолидированных материалах [26].
В результате лазерной обработки, сопровождающейся кратковременным повышением температур до 2000-5000 оК, формированием значительных механических напряжений и шокового давления до 100 Кбар, происходит изменение нанокристиллов и разделяющей их аморфной матрицы. Установлено, что при лазерной обработке аморфно-нанокристаллического металлического сплава серией импульсов наносекундной длительности, возможно модифицирование аморфных прослоек, увеличивающее их пластические свойства, при неизменном значении механических характеристик нанокристаллов. Результатом обработки является двух-трёхкратное возрастание пластических характеристик, выявляемых методом локального нагружения при микроиндентировании на приборе ПМТ-3 с сохранением высокого значения микротвёрдости.