Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Теоретическое введение

Процессы, обуславливающие структурные изменения в деформированных металлах, происходящие при нагреве, в зависимости от температуры и длительности отжига условно делятся на следующие стадии.

1. Возврат: а) отдых (возврат первого рода); б) полигонизация (возврат второго рода).

2. Рекристаллизация: а) первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки; б) собирательная рекристаллизация; в) вторичная рекристаллизация.

Следует отметить, в настоящее время нет единой классификации процессов разупрочнения. При отжиге упрочненных металлов трудно иногда разграничить возврат и рекристаллизацию, так как в зависимости от условий деформирования и последующего отжига процессе, определяющие данные стадии отжига, могут протекать одновременно. Отдых – термообработка, в процессе которой происходит частичное восстановление структурночувствительных физических свойств упрочненных металлов, не связанное с изменением микроструктуры либо кристаллографической ориентации, а обусловленное перемещением и аннигиляцией неравновесных точечных дефектов.

Полигонизация - процессы, связанные с миграцией и перераспределением дислокаций, в результате которых образуются свободные от дислокаций области кристаллита, разделенные малоугловыми дислокационными границами.

Рекристаллизация - последующая стадия отжига упрочненных металлов. На этой стадии разупрочнения происходит образование и рост новых неискаженных областей кристаллов, ориентация которых, как правило, отличается от исходной. Рекристаллизация сопровождается полным восстановлением физических и механических свойств кристаллических тел.

В отличие от полигонизации, в процессе которой также образуется более совершенная структура, зерна, возникающие при рекристаллизации, отделены от деформированной матрицы не малоугловыми, как субзерна, а большеугловыми границами. Образование и рост зерен с более совершенной структурой, окруженных большеугловыми границами, за счет деформированных зерен той же фазы называют первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

Структура тонких металлических пленок, полученных методом термического испарения в вакууме, отличается от структуры массивных материалов. Как правило, тонкие пленки имеют более мелкодисперсную структуру и содержат большее количество дефектов кристаллической решетки. При нагревании тонких пленок в них начинают протекать процессы, вызывающие структурные и субструктурные изменения, приводящие к уменьшению свободной энергии системы. Процессы возврата и рекристаллизации характеризуются рядом внутрифазовых переходов, при которых неравновесные структурные и субструктурные состояния переходят в более равновесные. Эти процессы весьма удобно изучать на тонких пленках, поскольку они позволяют реализовать очень большой диапазон многообразных неравновесных состояний, некоторые из которых в массивных материалах не наблюдаются. Л.С.Палатник и Г.В.Федоров показали в своих работах, что переход из одного состояния в другое происходит через несколь- ко этапов, смена неравновесных состояний характеризуется последовательностью ступенчатых переходов

где Ψ_Н, Ψ₁, Ψ₂, Ψ_k, – значения свободной энергии в начальном (H), промежуточных (1,2,,..) и конечном (K) состояниях.

Структурные изменения, происходящие в тонких пленках при отжиге, вызывают изменение их физических свойств. Следует, отметите, что в литературе, посвященной отжигу тонких пленок, нет единой тонки зрения на процессы, протекающие в пленках при нагреве. Л.Н.Александров, основываясь на формализме вероятностно- статистической теории флуктуационного роста зародышей Колмогорова и Мейля, разработай кинетическую теорию рекристаллизации тонких пленок. Согласно этой теории, доля рекристаллизованного объема зависит от времени рекристаллизации £, температуры отжига T, энергии активации рекристаллизации и других параметров

где V_р– скорость зарождения центров рекристаллизации; скорость роста зерен; h_эф – толщина пленки; t_n –время прорастания зерен до поверхности. Время завершения рекристаллизации по теории Александрова определяется следующим выражением:

Здесь β_р, δ_р – коэффициенты заполнения атомами объема и поверхности кристаллов соответственно; d_р – структурный коэффициент; nu – плотность атомов в объем; F_p – работа образования критического зародыша; ΔG_р – изменение свободной энергии при образовании рекристаллизованного объема; R_ат – радиус атома; T_x - характеристическая температура; h -Постоянная Планка; U_эф - эффективная энергия активации; A -Число Авогадро.

Однако теория Александрова для массивных образцов является формальной и не раскрывает физической сущности явлений, протекающих при рекристаллизации тонких пленок. В частности, наблюдается расхождение экспериментальных результатов и теоретической кривой, рассчитанной по формуле Александрова для отжига пленок серебра. Несоответствие результатов экспериментов и теории, а также наличие большого количества противоречивых данных, полученных разными исследователями, связаны со спецификой протекания процессов отжига и различных материалов, с особенностями их дефектов кристаллической решетки и со значительным различием исходных структур и состава материалов.

Исследование структурных изменений, происходящих в поликристаллических пленках при отжиге их на различных подложках, показало, что подложка оказывает существенное влияние на кинетику первичной, собирательной и вторичной рекристаллизации. При нагреве пленок на подложках в них возникают внутренние напряжения, которые служат дополнительной движущей. силой, стимулирующей структурные превращения, увеличивающей скорость роста зерна и их конечные размеры. Отличительной особенностью пленок на подложках является более интенсивное протекание коалесценции в процессе первичной и собирательной рекристаллизации. В пленках, отжигаемых она подложках, рекристаллизация начинается при температурах отжига более низких, чем температура напыления. Скорость миграции границ зерен экспоненциально уменьшается с увеличением Бремени отжига и находится в экспоненциальной зависимости от оба равной величины температуры отжига.

Основной особенностью воздействия лазерного излучения на материалы является локальный характер теплового источника, обеспечивающий формирование жесткого термического цикла при поверхностной обработке с высокими скоростями перемещения источника нагрева и высокими скоростями нагрева и охлаждения материала.

Требуемые свойства поверхности при лазерном термоупрочнении получают созданием соответствующего термического цикла с заданными оптимальными параметрами, определяемыми максимальной температурой нагрева, скоростью нагрева, скоростью охлаждения, временем пребывания материала выше характерной температуры.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения лазерная термическая обработка осуществляется как нагревом до температур плавления, так и нагревом до температур ниже температуры плавления T_пл. Используются уровни плотности мощности лазерного излучения Е = 10⁸... 10⁹ Вт/см², обеспечивающие локальный разогрев до температур T ≤ T_пл без заметного испарения материала. Обычно рекомендуется значение плотности мощности для лазерной термообработки Е устанавливать из условия E < E *, где E * – пороговая плотность мощности излучения, с превышением которой происходят активное расплавление и испарение материала Значения E* для различных металлов составляет 10⁹... 5 × 10¹⁰ Вт/м².

При воздействии лазерного излучения на поверхность обрабатываемой металлической пленки происходит лишь частичное поглощение излучения, характеризуемой эффективным коэффициентом поглощения:

A_эф=1-R_отр;

где R_орт - коэффициент отражения.

Энергия поглощенного лазерного излучения преобразуется в тепловую в тонком поверхностном слое толщиной 10^-6¸10^{-7 м. Тогда плотность мощности теплового источника g} _n, действующего на поверхность облучаемого тела можно представить в следующем виде:

где A_эф – эффективный коэффициент поверхностного поглощения. Физический смысл этого коэффициента заключается в том, что он характеризует отношение части энергии (или мощности) лазерного излучения, поглощенной металлом в процессе лазерного воздействия, к энергии (или мощности) лазерного излучения. Можно записать также соотношение g = A_эфP, где P – мощность лазерного излучения. Значение g характеризует интенсивность теплового воздействия и используется для расчетов тепловых процессов при лазерной обработке. Определение мощности лазерного излучения Р не вызывает затруднений и легко осуществляется непосредственными измерениями на лазерной установке.

Порядок выполнения

1. Включить вакуумный агрегат установки УВН-73П-2 и вывести на рабочий режим паромасляный насос. Н-5.

2. В тигли для испарения загрузить поочередно таблетки из SiO₂.

3. Al₂O₃, ZnO₂, TiO₂, HfO₂ установить на карусели подложки для осаждения пленок.

4. Закрыть вакуумную камеру, получить вакуум не хуже 5 × 10^-5 мм. рт. ст.

5. Включить непрерывный (CO₂ – лазер и произвести напыление пленокв течение 10 мин.

6. В процессе осаждения производить лазерный отжиг формирующихся слоев с помощью импульсного лазера ГОС-301. Плотность мощности лазерной обработки должна составлять 4×10⁴ ¸ 1×10⁵ Вт/см².

7. Получить пленки SiO_2, Al₂O₃, ZnO₂, TiO₂, HfO₂, с помощью электронно-лучевого испарения.

8. Определить лучевую прочность полученных покрытий с помощью импульсного лазера ГОС-301. Оценить поры разрушения покрытий, полученных при лазерном отжиге, без него и в результате электронно-лучевого испарения. Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Процессы протекающие при нагреве кристаллических тел.

2. Структурные изменения в тонких металлических пленках при отжиге.

3. Кинетика отжига поликристаллических пленок.

4. Параметры лазерного излучения влияющие на процессы отжига тонких пленок.

Литература

1. Летохов B.C., Устинов Н.Д. Мощные лазеры и их применение.-М.:Сов.радио, 1980.-112 с.

2. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов.-Л.: Машиностроение, Лен. отд., 1986.-248 с.

3. Технология тонких пленок (справочник). Под ред. Л.Майесела,

4. Р.Глэнга. T.I. М.: ".Сов.радио", 1977,-564 с.

5. Точицкий Э.И. Кристаллизация и термообработка тонких пленов.
Минск, "Наука и техника", 1976,-376 с.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒