POMIAR ZA W ARTOŚCI LEKKICH PIERWIASTKÓW W DWUSKŁADNIKOWYCH STOPACH AL-LI W OKOLICY SPOINY SPAWALNICZEJ

Transkrypt

1 18/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 P AN-Katowice, PL ISSN POMIAR ZA W ARTOŚCI LEKKICH PIERWIASTKÓW W DWUSKŁADNIKOWYCH STOPACH AL-LI W OKOLICY SPOINY SPAWALNICZEJ W. MRÓZ, A. ANTONIK, D. GOJŁO, A. PROKOPIUK Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 49, ul. Kaliskiego 2, T. CZUJKO, S. JÓŹ:WIAK Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, ul. Kaliskiego 2. STRESZCZENIE W pracy przedstawiono na przykładzie analizy składu chemicznego dwuskładnikowego stopu Al-2.1 Li możliwości pomiarowe metody laserowej spektrometrii masowej, wykorzystującej do pomiarów rodzaju jonów spektrometr masowy typu "mass-reflectron". Oprócz zawartości głównych s kładników badanej próbki (aluminium i litu) zmierzono poziom zanieczyszczet'l lekkimi pierwiastkami: H, C i O. Wymienione pierwiastki zostały wprowadzone do badanego materiału w procesie symulującym laserowe spawanie polegającym na poprzecznym przetopieniu wiązką lasera C0 2 przygotowanych do analizy próbek materiałów. CHARAKTERYSTYKA BADANEGO MATERIALU Analizie poddano modelowy dwuskładnikowy stop Al-2.1 Li przetapiany wiązką laserową. Proces ten będący symulacją spawania laserowego powodował oprócz niewielkich zmian strukturalnych wyraźny spadek wytrzymałości i wzrost

2 164 kruchości "złączy" w stosunku do materiału rodzimego. Za najbardziej prawdopodobne przyczyny tego niekorzystnego zjawiska podaje się bądź selektywne zubożenie materiału w lit, jako pierwiastka stopowego o niskiej temperaturze topnienia, bądź znaczny udział wodoru i wodorotlenków w warstwie pasywującej powierzchnię. Z tego też względu koniecznym jest ustalenie zawartości pierwiastków stopowych oraz zanieczyszczeń obecnych w warstwie wierzchniej. Badany materiał uzyskano poprzez odlewanie ciągłe, a następnie wyciskanie na gorąco, na blachy. W dalszej kolejności, tak przygotowane blachy poddano walcowaniu na gorąco do grubości 2 i l mm. Obróbka cieplna badanych stopów, przeprowadzana w piecu Heraus, w atmosferze argonu, polegała na przesycaniu i starzeniu. Blachy przesycane wygrzewano w temperaturze 550 oc przez l godzinę, a następnie chłodzono w wodzie. Starzenie prowadzono w temperaturze 190 C, w czasie 5 godzin. W celu uniknięcia typowo technicznych błędów spawalniczych, związanych z przekoszeniem płaszczyzn łączonych próbek oraz prowadzeniem wiązki niedokładnie po krawędzi ich styku, proces doc zołowego spawania dwóch blach symulowano poprzez przetapianie jednej płytki. Próbki w kształcie płaskowników przygotowano wycinając dłuższe boki prostokątów prostopadle do kierunku walcowania blach oraz przetapiając je w połowie długości wiązką biegnącą równolegle do krótszego boku (kierunku walcowania). Próby przetapiania laserowego wykonano na stanowisku złożonym z lasera C0 2 o maksymalnej mocy 2.5 kw oraz sprzężonego z nim stołu o programowanych ruchach w osiach (x,y,z,rot). W trakcie prowadzenia procesu stosowano gaz osłonowy-argon, doprowadzany współosiowo z wiązką lasera, którego wydatek był regulowany i utrzymywany kontrolerem przepływu. Doświadczenie realizowano wiązką laserową o energii liniowej E 1, której dolny zakres wartości ograniczało uzyskiwanie pełnego przetopu, a górny - wycieki od strony grani i podtopienie lica. Warunki te uzyskano stosując moc lasera P = kw, szybkość przesuwu materiału względem wiązki v = m/ min. OPIS WARUNKÓW EKSPERYMENTALNYCH Pomiary eksperymentalne wykonane były przy pomocy spektrometru masowego typu "mass-reflectron" [1,2,3] o bazie przelotu jonów L= 204 cm. Układ pomiarowy spektrometru (rys. l) składa się z trzech głównych zespołów: lasera do wytwarzania jonów (laser N d: Y AG A.= 1.06 )lm, EL= (6 ± l) mj, 'I = (5 ± 0.5) ns), układu pól analizująco-odbijających i detektora jonów w postaci zestawu dwóch mikrokanalikowych płytek powielających (MCP). Promieniowanie laserowe skupione na powierzchni próbki do gęstości mocy l < 5x l 0 9 W /cm 2 powoduje jonizację warstwy powierzchniowej. Powstałe jony przemieszczają się w kierunku pól analizująco-odbijających. Jony spełniające warunek odbicia

3 165 (posiadające stały stosunek energii do ładunku, E/q, niezależnie od masy jonów) są zawracane przez pola analizujące w kierunku detektora. Jony pierwiastków lekkich, mając większą prędkość docierają do detektora szybciej niż jony pierwiastków ciężkich, tworząc na wyjściu detektora widmo masowe jak na rys. 2. Laser System wizualizacji i oświetlenia miejsca pomiaru Mechanizm przesuwu próbki Pola p-10 6 Tr analizujące --. 1{;---..~~--_llUIIII Wzmacniacz Oscyloskop Rys. l. Schemat ideowy spektrometru masowego typu "mass-reflectron" z laserowym źródłem jonów

4 166 1,6 1,4 H+ 1 l Al-Li l 21M ~ g, 1,2 ~ 1,0-2-/\f-+ IQ 0,8 "C ~ 0,6 Q. E < 0,4 0,2 0,0 s li+ 12rf+ 7Lt "{f \l/,,p A L ro ~ o o m/ q Rys.2. Widmo masowe badanej próbki Al-Li. Widoczne piki jonowe od poszczególnych składników badanej próbki. Rys. 3. Miejsce pomiaru badanej próbkial-li w przypadku oddziaływania lasera neodymowego o długości fali A=l,06 )..tm, czasie trwania impulsu 5 n s i energii EL:=6 mj w powiększeni u l OOx a) i 800x b) 1" = Na rys. 3a) przedstawiono widok miejsca pomiaru badanej próbki Al- Li. W wyniku zastosowania stosunkowo niskiej energii promieniowania laserowego nawet po 36 strzałach lasera w jedno miejsce nie otrzymaliśmy widocznego krateru. Widzimy tutaj wyraźne zróżnicowanie ubytku materiału z powierzchni ziaren i na ich granicach (rys. 3b). Ponieważ energia wiązania jest mniejsza na granicach ziaren niż wewnątrz ich, więcej atomów materiału zostało "oderwanych" na granicach ziaren.

5 167 ANALIZA WYNIKÓW PRÓBKI AL-LI Pomiar składu chemicznego i stechiometrycznego próbki polegał na wykonaniu kilkudziesięciu strzałów lasera w pięć różnych punktów pomiarowych na powierzchni badanego materiału. Na rysunku 4 przedstawione zostały amplitudy prądów jonowych pierwiastków występujący ch w badanej próbce Al-Li zmierzone dla kolejnych s trzałów lasera w pięciu punktach pomiarowych. Punkty oznaczają wartości otrzymane z pomiarów eksperymentalnych, linia ciągła jest zobrazowaniem tendencji zmian zawartości poszczególnych składników w funkcji strzałów lasera. -7 ' ~6 pierwszy pun drugi punkt trzeci pun kt czwarty punkt pi ąty punkt pierwszy punkt drugi punkt trzeci punkt czwarty punkt piąty punkt Strzały lasera Strzał y lasera 25 f tor [!!] drugi pierwszy punkt 15 ' pierwszy punkt drugi punkt trzeci punkt czwarty punkt piąt y punkt trzeci punkt 5 : czwarty punkt. piąty punkt o,. -,-... ~-r-.., ~, ,~-r-.,...~ Strza ły lasera Strzał y lasera <: ~~~~~~~~--~~~~~ 1 4 ~ ~ pierwszy punkt t2j O drugi punkt ~ -! trzeci punkt ~ 10 -! \ czwarty pu nkt -'- : p1 ąty punkt -;; J. '. 8 ł i )Ś~~~ ~ 6~! : --:.::. -:---~..; : :'' '.... -: ~.,-.-,., ,-...,.-.,.--..., ,.-.,...,...-.-,--,..-,...,..., Strzały lasera Rys. 4. Amplitudy prądów jonowych aluminium, litu, wodoru, węgla kolejnych strzałów lasera w pięciu punktach pomiarowych tlenu dla

6 168 Wyróżniony na wykresach obszar (do piątego strzału) charakteryzuje się znacznymi anomaliami składu chemicznego. Na skutek zanieczyszczei'i powierzchni badanej próbki występują znaczne wahania amplitud prądów jonowych od rejestrowanych pierwiastków stopu. Powyżej S-tego strzału lasera po usunięciu warstwy powierzchniowej z badanej próbki możemy przyjąc, że zmierzone zawartości pierwiastków są zbliżone do rzeczywistego składu badanego stopu. Z prezentowanych na rys. 4 danych wynika, że w przypadku analizowanego stopu Al-Li mamy do czynienia z "wzbogaceniem" stopu w cienkiej warstwie przypowierzchniowej w lekkie pierwiastki pochodzące z zanieczyszczei'i (H, C, 0). Jednocześnie w warstwie powierzchniowej zawartość głównych pierwiastków stopowych może być znacznie mniejsza (nawet dwukrotnie, jak w przypadku aluminium) niż w pozostałej części stopu. Strzały lasera Str z ały lasera Rys. S. Procentowy skład wagowy dla kolejnych strzałów lasera a) oraz wagowy skład procentowy poszczególnych składników stopu w funkcji sumy kolejnych strzałów lasera b) Na rys. Sa) przedstawiony został procentowy skład wagowy jonów występujących w badanej próbce policzony dla kolejnych strzałów lasera w to samo miejsce. Dla każdego strzału lasera osobno wyznaczony został skład wagowy próbki a następnie została policzona dla wykonanych pomiarów średnia zawartość s kładników próbki (linia prosta). Otrzymane wartości dają informacje o zawartości poszczególnych pierwiastków w miejscu pomiaru. Miejscowe fluktuacje składu wynikają przede wszystkim z ziarnistej struktury badanego materiału [2,4]. Jeżeli ognisko laserowe jest porównywalne lub mniejsze niż ziarno stopu, skład chemiczny wyznaczony za pomocą jednego strzału lasera może znacznie odbiegać (nawet o kilkadziesiąt procent) od rzeczywistego składu próbki. Dlatego też w przypadku materiałów o niejednorodnej strukturze skład chemiczny nie może być wyznaczony z wykorzystaniem jednego strzału lasera. Średnie

7 169 wartości zawartości poszczególnych składników badanej próbki wyznaczone z 36 strzałów lasera wynoszą odpowiednio: Al: 73,3%, 0: 14,3%, C:8,9%, Li: 2,5% ih:l,o%. Inną metodą analizy wyników jest procedura sumowania amplitud poszczególnych pierwiastków dla kilkudziesięciu strzałów lasera (rys. Sb). Wykres obrazuje tendencję zmian składu wagowego w zależności od ilości zsumowanych wyników pomiarów (ilości strzałów lasera) łącznie z pierwszymi wynikami pomiarów z warstwy powierzchniowej. Dopiero po ok strzałach skład chemiczny badanej próbki stopu zbliża się do wa11ości deklarowanych przez producenta. Wyznaczony w ten sposób skład próbki wynosi: Al : 71,0%, 0: 13,8%, C: II,7%, Li:2,4%, H: l,0%. W przeprowadzonych obliczeniach składu chemicznego użyto współczynniki wzmocnienia MCPs przedstawione w pracy [5]. WNIOSKI Przeprowadzone badania pokazały, że niezależnie od sposobu opracowywania wyników analizy, skład chemiczny zbliżony do deklarowanego przez producenta próbki można otrzymać w wyniku uśrednienia wyników z pomiarów. W rezultacie wykonania od kilku do kilkudziesięciu strzałów lasera w to samo miejsce, następuje proces laserowego czyszczenia powierzchni badanej próbki. Taka metodyka prowadzenia pomiarów pozwala na analizę składu chemicznego stopów metali i nie wymaga wcześniejszego przygotowania ich do powierzchni do badal'l. Zaprezentowana metoda laserowej spektrometrii masowej z wykorzystaniem spektrometru masowego typu "mass-reflectron" pozwala jednocześnie określić grubość warstwy zanieczyszczel'l powierzchniowych jak również wnioskować o ich pochodzeniu [2,3,4]. LITERATURA [l] B. A. Mamyrin, Laser assisted reflectron time-of-flight mass spectrometry Int. J. Mass Spectrom. lon Processes, 131, l (1994). [2] W. Mróz, S. Jóźwiak, Z. Bojar, Z. Bystrzycki, A. Antonik, P. Norek, A. Prokopiuk,N. S. Kirillov, B. A. Mamyrin and D. V. Schmikk, "Analysis of homogeneity of elements distributions in the FeAI in termetallic sampies performed by mass analyzer of mass-reflectron type with laser ionization of investigated materials", Rev. Sci. Instrum. 69(2) (1998), [3] W. Mróz, S. Jóźwiak, Z. Bojar, J. Bystrzycki, A. Antonik, P. Norek, A. Prokopiuk, B.A.Mamyrin, D. V. Schmikk, N. S. Kirillov, "Badanie jednorodności przestrzennej domieszkowania próbek intermetali za

8 170 pomocą spektrometru masowego typu 'mass-reflectron"', Przegląd Mechaniczny (1997), str.ls-19. [4] W. Mróz, A. Antonik, P. Norek, A. Prokopiuk, S. Jóźwiak, Z. Bojar, J. Bystrzycki, B.A.Mamyrin, D. V. Shmikk, N. S. Kirllov, Zastosowanie spektrometru masowegotypu "mass-reflectron" w badaniach jednorodności przestrzennej składu chemicznego i domieszkowania stopów lekkimi pierwiastkami, Mat. Konf.: Krzepnięcie Metali i stopów'98- Solidification of Metais and Alloys '98, Rzeszów, marzec (zgubiona strona pomiędzy str ) [5] W. Mróz, A. Prokopiuk, B. Kozlov, T. Czujko, S. Jóźwiak, J. Krzywióski and M. P. Stóckli, Quantitative measurements of chemical composition of bare samples, performed by mass analyzer of mass-reflectron-type with micro channel plates detector assembly, Rev. Sci. Instrum. 71(2) (2000).