Geum.ru

Высокочувствительный ядерно-физический метод определения изменения содержания лития в поверхностных слоях полуфабрикатов al-Li сплавов

Вид материалаДокументы

Содержание


Материалы и методы исследования.
Результаты и обсуждение.
Подобный материал:

Высокочувствительный ядерно-физический метод определения изменения содержания лития…

А.В. ШУЛЬГА

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»


ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЛИТИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ПОЛУФАБРИКАТОВ Al-Li СПЛАВОВ


Впервые исследовано содержание лития в поверхностных слоях полуфабрикатов сплавов на основе алюминия системы Al-Li с использованием ядерной реакции 6Li(n, )3H. Определены оптимальные условия эксперимента, разрешение и оценена чувствительность метода. Высокая разрешающая способность позволила установить приповерхностный слой 10 мкм с резко пониженным содержанием лития и подповерхностного более толстого слоя 100 мкм, характеризующегося повышенным содержанием лития.


Алюминиевые сплавы, легированные литием, в частности высокопрочный, высокомодульный коррозионно-стойкий свариваемый сплав типа 1420 системы Al–Li–Mg, сплавы 1430 (А1–Li–Cu–Mg) и 1450 (Al–Li–Cu) обладают малой плотностью, высоким сопротивлением разрушению при циклических нагрузках, которое превосходит эту характеристику традиционных авиационных алюминиевых сплавов типа Д16 и В95 1–4]. В создании Al–Li-сплавов по традиционной технологии выплавки слитков достигнуты значительные успехи. Однако имеют место сложные проблемы химической неоднородности, которые ограничивают максимально возможное содержание лития в сплавах примерно 2,7 %, что существенно снижает возможную экономию веса. Существенное подавление ликвации в высокопрочных алюминиевых сплавах может достигаться переходом к применению ПМ-технологии с использованием быстрозакаленных порошков (гранульная металлургия).

Актуальные вопросы металловедения конструкционных сплавов на основе алюминия, содержащих литий, в значительной степени связаны с определением содержания лития и выяснением закономерностей распределения лития в поверхностных слоях полуфабрикатов и изделий.

Алюминиево-литиевые сплавы в результате термической обработки на воздухе склонны к окислению с образованием продуктов окисления, содержащих литий. Низкое значение кислородного потенциала лития (высокое сродство к кислороду) и высокая его диффузионная подвижность обусловливают интенсивную миграцию лития на поверхность. Существует также представление о формировании термодинамически равновесной сегрегации лития на поверхности алюминиево-литиевых сплавов. Следует отметить, что кристаллизация алюминиево-литиевых сплавов сопровождается весьма существенной ликвацией легирующих элементов, в частности лития, с формированием структурно-химической неоднородности слитка, для устранения которых проводится высокотемпературная гомогенизация. Естественно, что в данном случае также представляет интерес изучение влияния гомогенизационного отжига на особенности распределения лития.

В связи с этим заслуживает внимания экспериментальное изучение закономерностей распределения лития в поверхностных слоях полуфабрикатов и листов, в том числе плакированных.

В научно-технической литературе имеются сведения о применении метода электросопротивления и измерения микротвердости для исследования распределения лития в поверхностных слоях алюминиево-литиевых сплавов 5, 6]. Следует отметить: методы электросопротивления и микротвердости 5] – косвенные. Их применение основано на возникновении искажений электронной и кристаллической структуры сплава при образовании твердого раствора, а также при выделении дисперсных частиц упрочняющей фазы. Существенное влияние на величину микротвердости, электросопротивления оказывают степень однородности твердого раствора, размер частиц второй фазы, степень релаксации упругих искажений, плотность дислокаций, релаксирующих внутренние напряжения.

Прямой метод определения лития с использованием ядерной реакции 7Li(3He,p)9Be применялся в работе [6. Метод заключается в облучении образца коллимированным пучком 3Не ионов; ширина облучаемого участка составляла 100 мкм и в значительной степени определяла разрешающую способность метода. Целью данной работы являлась разработка прямого высокочувствительного ядерно-физического метода анализа распределения лития в поверхностных слоях алюминиевых сплавов, содержащих литий, с более высокой разрешающей способностью и изучение влияния отжига на распределение лития в листах сплавов 1420, 1430, 1450.

Материалы и методы исследования. Химический состав исследованных сплавов алюминия 1420, 1430, 1450, содержащих литий, приведен в табл. 1.


Таблица 1

Химический состав сплавов алюминия 1420, 1430, 1450


№ п/п
Cодержание легирующих сплава
Al
Li
Mg
Cu
Zr

1
1420
Основа
2,2
6, 0
—
0,13

2
1430
Основа
1,7
2,8
1,4
0,11

3
1450
Основа
2,2
0,3
2,9
0,13



Образцы приготовлены в виде косых шлифов с применением мер, предотвращающих воздействие воды и водных эмульсий при их приготовлении, в частности с использованием алмазных паст.

Было проведено исследование, в частности образцов от листов толщиной 3 мм сплава 1420, плакированных слоем алюминия толщиной 50 мкм, после отжига при температуре 460 °С с выдержками 0,5, 2,0, 24 ч. Проводилось также исследование влияния условий на поверхности листовых образцов при отжиге 525 °С, 24 ч листов сплавов алюминия, содержащих литий 1420, 1430, 1450, а также характер неоднородности в литом металле и после гомогенизирующего отжига.

В работе предложено использовать ядерную реакцию 6Li(n,)3H, протекающую на ядрах нуклида 6Li при облучении тепловыми нейтронами, для прямого анализа лития и его распределения в алюминиево-литиевых сплавах. Существенное повышения разрешения до 2–5 мкм при анализе лития возможно в этом случае при использовании трековой авторадиографии. Анализ основных легирующих элементов и примесей в сплавах алюминия, содержащих литий, свидетельствует о возможности избирательной активации лития в этих сплавах при облучении тепловыми нейтронами. Высокое значение эффективного сечения этой реакции позволяет, по существу, избирательно провести активацию атомов лития в алюминиево-литиевых сплавах независимо от состояния атомов лития в твердом растворе или частицах второй фазы. Регистрация -треков осуществляется с помощью твердотельного полимерного детектора, находящегося в контакте с исследуемым образцом. Величина пробега -частиц в данном случае составляет 2–5 мкм, что определяет разрешающую способность метода.

В данной работе облучение проводилось в тепловой колонне исследовательского реактора МИФИ ИРТ-2000. Одним из важных условий было экспериментальное определение оптимальной величины флюенса (1011 нейтр./см2) путем предварительной оценки и окончательного экспериментального подбора положения образца в тепловой колонне и времени облучения. Для повышения разрешения анализа лития по глубине, а также для большей достоверности сопоставления с данными микрорентгеноспектрального анализа по распределению магния в поверхностных слоях исследование проводилось на образцах в виде косых шлифов с уклоном порядка 1 : 10. В качестве твердотельного детектора -частиц в данной работе использовались специально изготовленные пленки полимерного детектора из ацетобутирата целлюлозы (CAB), представляющего 10-про­цент­ный раствор CAB в этилацетате. Выявление треков производилось травлением в концентрированном растворе КОН (20 С,  5 час).

Определение содержания лития в твердом растворе по данному методу сводится к подсчету плотности треков на выбранном участке детектора с учетом пропорциональной взаимосвязи плотности треков, содержания лития и флюенса нейтронов. Оптимальное увеличение, при котором проводился подсчет плотности треков примерно 500. На рис. 1 и 2 в качестве примера приведены снимки трековых авторадиограмм. Образование выделений литийсодержащей фазы сопровождает слияние треков, формирующихся в детекторе, так что частицы фазы, содержащей литий, идентифицируются как области слияния треков.

Результаты и обсуждение. В данной работе, впервые с применением предлагаемой методики, получены прямые результаты по изменению содержания лития в поверхностных слоях листа сплава 1420 толщиной 3 мм, плакированного слоем алюминия толщиной 50 мкм, после отжига при 460 °С с выдержками 0,5, 2, 24 ч.

На рис. 1 приведены трековые авторадиограммы, характеризующие изменение распределения лития по глубине от поверхности в образце от плакированного листа сплава 1420 после отжига при 460 °С с выдержкой 0,5 ч. На поверхности (рис. 1,а) плотность треков минимальна, что соответствует минимальному твердорастворному содержанию лития. На глубине 50 мкм плотность треков возрастает, что соответствует повышению твердорастворного содержания лития и на глубине 120 мкм достигается максимальная плотность треков (рис. 1,б).








Рис. 1. Трековые авторадиограммы распределения лития в образце плакированного листа сплава 1420 после отжига 460 С, 0,5 ч на различной глубине от поверхности: а, б – 0 и 1200 мкм соответственно

(х500, косой шлиф 1:10) и результирующие кривые изменения концентрации лития в поверхностных слоях


На рис. 1 представлены кривые зависимости концентрации лития в поверхностных слоях образцов сплава 1420 после отжига при 460 °С с выдержками 0,5, 2, 24 ч. Концентрация лития в поверхностных слоях принималась пропорциональной изменению плотности треков от глубины. Установлено, что распределение лития характеризуется довольно резким спадом в поверхностном слое толщиной 100 мкм в образцах после отжига 460 С, 0,5 и 2 ч и толщиной 160 мкм после отжига в течение 24 ч. Толщина слоя половинного снижения концентрации лития составляет 60 мкм при выдержке 0,5 ч, 70 мкм – 2 ч и 65 мкм – 24 ч. Установлено, что концентрация лития в твердом растворе на поверхности образцов при всех исследованных выдержках близка к нулю.

При исследовании листов сплавов 1420 и 1450 без плакировки при отжиге 525 °С, с выдержкой 24 ч обнаружено формирование подслоя вблизи поверхности обогащенного литием. При этом установлено также наличие обедненного приповерхностного слоя, толщина которого существенно ниже в сплаве 1450, чем в сплаве 1420, и составляет 10 мкм (рис. 2).

А

нализ результатов по изучения влияния условий на поверхности позволил выявить более интенсивную диффузию лития на поверхность листа с обеднением в большей степени приповерхностных слоев на листах сплавов 1420 с открытой поверхностью, чем на образцах с поверхностью «контакт». В то же время для образцов сплава 1450 при аналогичных условиях характерно примерно одинаковое по градиенту изменение концентрации лития по толщине. Образцы сплава 1430 также характеризуются весьма существенным обеднением поверхностных слоев литием и отличной от нуля концентрацией на поверхности листа после отжига 525 °С, 24 ч.




Рис. 2. Трековая авторадиограмма распределения лития в поверхностном слое сплава 1450 (40, косой шлиф 1:10) и результирующая кривая изменения концентрации лития в поверхностных слоях


Таким образом, характерными особенностями исследованных образцов от неплакированных листов сплавов 1420, 1430, 1450 являются отличная от нуля концентрация лития на поверхности и весьма протяженная толщина обедненного поверхностного слоя. Установлено довольно существенное влияние условий на поверхности при отжиге 525 °С, 24 ч на распределение лития. Анализ применения методики в данной работе для изучения распределения лития по глубине образцов показывает, что практическое разрешение метода по плоскости косого шлифа составляет 2–5 мкм, что по глубине образца дает разрешение 1 мкм и существенно превышает разрешающую способность анализа лития по реакции 7Li (3He,p)9Be.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Илларионов Э.И. Колобнев Н.И., Горбунов П.З. Алюминиевые сплавы в авиакосмической технике.
М.: Наука, 2001.

2. Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы.
М.: ВИЛС, 1995.

3. Фаткуллин О.Х., Строганов Г.Б., Ильин А.А. и др. Металловедение и технология быстрозакаленных сплавов: Учебник для вузов: в 2 кн. М. : Изд-во МАИ, 2007.

4. Wert J.A. // Scrpt. met. 1985. V. 19. P. 367.

5. Papazian J.M., Schulte R.L., Adler P.N. // Metal. Trans. 1986. V. 17A. P. 635.