Метод структурного рентгеноанализа

несравнимо богаче просвечивания как по широте

охватываемых явлений, так и по своим результатам.

Е.Ф. Бахметев

История рентгеноструктурных исследований во Всесоюзном (Всероссийском) институте авиационных материалов (ВИАМ; в настоящее время – НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ) берет свое начало в 1904 г. в Московском высшем техническом училище (МВТУ), когда выпускник 1897 г. Анатолий Михайлович Бочвар организовал новую лабораторию по исследованию металлов. Особое внимание в лаборатории уделялось изучению методов и средств определения механических свойств металлов и сплавов. Для полного завершения круга задач, решаемых металловедением, необходимо было исследование, объясняющее поведение материалов под нагрузкой – учение о структуре. Для этого в 1906–1909 гг. он создал одну из первых в России лабораторий металлографии, где систематически проводились научные работы и развивалось учение о структуре и свойствах металлов и сплавов. Продолжателем этих работ стал его талантливый ученик Иван Иванович Сидорин.

В 1924 г. дирекция МВТУ назначила И.И. Сидорина заведующим механической лабораторией. Он значительно расширил ее, дополнив лабораторией для термообработки металлов и кабинетом металлографических исследований. В 1925 г. Иван Иванович организовал в МВТУ два совершенно новых курса – по металловедению и по автомобильным и авиационным материалам.

К моменту образования ВИАМ, в 1930-е гг., уже было опубликовано значительное количество отечественных и зарубежных работ, посвященных вопросам применения рентгеновских лучей для решения задач, связанных со строением, составом и физическими свойствами материалов. Однако долгое время эти публикации носили чисто исследовательский характер и были малопригодны для прикладного использования – наблюдалась их оторванность от производства.

Довоенный период – 1932–1941 гг. В 1932 г. И.И. Сидорин с группой сотрудников перешел работать из Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) в только что созданный Всесоюзный институт авиационных материалов заместителем начальника по научно-технической работе. Вместе с ним его коллеги по научной работе – высококласные специалисты – успешно сочетали педагогическую и исследовательскую деятельность. Рентгеноструктурные исследования в ВИАМ с самого начала существования института носили прикладной характер. Так, в частности, первыми объектами исследования в рентгеновской лаборатории были штамповки из легких алюминиевых сплавов: головка и шток шатуна мотора, лопасти пропеллера. Ставилась задача определения порога рекристаллизации при данных условиях деформирования. Наряду с металлографией применяли рентгеноструктурный метод Лауэ – съемку в «белом» излучении. По степени «резкости» отражений текстуры разработали методику определения начала рекристаллизации сплава (рис. 1). Момент появления новых кристаллитов, отражаемых на рентгенограмме, означал для технолога переход от горячего прессования к холодному при ковке-штамповке авиационных деталей. В продолжение этих исследований по характеру текстуры были найдены кристаллографические оси в различных участках деталей. После многочисленных испытаний на разрывной машине, измерений твердости были установлены связи свойств с рентгеноструктурными данными. При штамповке деталей сравнивали разные по составу сплавы (лауталь и дюралюмин) – их способность к рекристаллизации. При этом рентгеноанализ оказался более структурно-чувствительным методом, чем металлография.

Рис. 1. Характер линий дебаеграмм (а) и монокристаллы соединения FeAl₃, полученные Е.Ф. Бахметевым путем медленного остывания расплава (б)

Метод рентгеноструктурного анализа позволил получить представление о процессах, протекающих при штамповке и дальнейшей термической обработке, – по распределению областей рекристаллизации в объеме детали. Последовавшая затем проработка методики рентгеноструктурного исследования явления рекристаллизации была направлена на определение напряжений в материале, относительной величины кристаллитов, изменений фазового состояния – например, выделение химического соединения CuAl₂ из твердого раствора. Большой объем экспериментальных работ, выполненных в ВИАМ, позволил увидеть сложную корреляцию скорости деформирования, температуры, рекристаллизации и фазовых изменений в сплаве. Разрешены были и теоретические вопросы определения кристаллографических осей в резко выраженных несимметричных структурах; исследованы взаимосвязь скорости деформирования, температуры и рекристаллизации, а также участие изменения фазового состава сплава в этих явлениях.

С начала образования ВИАМ рентгеновской лабораторией руководил Евгений Федорович Бахметев. Обладая организаторским талантом, глубокими знаниями в области исследования металлов и сплавов, он развернул прикладные исследования авиационных материалов в лучших традициях фундаментальных научных школ России. Хорошее знание иностранных языков помогало освоить научный потенциал зарубежных исследователей. К решению каждой прикладной задачи Е.Ф. Бахметев подходил с присущей ему основательностью: от глубокой, часто критической, проработки имеющейся отечественной и иностранной литературы по фундаментальным исследованиям, через грамотно поставленный научный эксперимент, к внедрению достижений непосредственно в производство, на заводы. Под его руководством проводилось активное исследование металлов и сплавов методами рентгеновской дифрактометрии, сравнительно недавно (в 1912 г.) открытыми немецким физиком М. Лауэ. В своей работе Е.Ф. Бахметев показал, насколько «метод структурного анализа несравнимо богаче просвечивания как по широте охватываемых явлений, так и по своим результатам».

За недолгий период работы в области авиационных материалов Евгений Федорович опубликовал более 30 статей, посвященных исследованию легких алюминиевых сплавов методами рентгеноструктурного анализа. Особо следует отметить сборник «Рекристаллизация металла» (1932 г.), где была опубликована статья «К теории рекристаллизации» (авторы работы под руководством Е.Ф. Бахметева – А.А. Бочвар, Г.С. Жданов и Я.С. Уманский), ставшая исторически первой публикацией по данному направлению исследований. В техническом отчете ВИАМ за 1932 г. имеются сведения о работе рентгеновской лаборатории и ее научной деятельности по следующим темам: «Термическая обработка дюралюмина», «Экспериментальная проверка расчетов рентгеноструктур холодного проката», «Рентгеноисследование явления рекристаллизации в процессе горячего деформирования»; подтемам: «Рентгенографическое исследование влияния скорости деформирования на структуру сплава, прессованного при высоких температурах», «Рентгеноанализ структуры металла, деформированного ударом при высоких температурах», «Структура прессованного дюралюмина после термической обработки», «Исследование теплового эффекта в дюралюмине при деформировании его ударом», «Рентгеноанализ рекристаллизации сложного сплава», «Примеры рентгеноанализа структуры алюминиевых сплавов после заводской «горячей» обработки», «Механизм структурных изменений металла, зависящих от температуры, скорости и степени деформирования», «Применение результатов рентгенографического исследования структур прессованного дюралюмина в практике технологического процесса». Разработанная в ВИАМ теория рекристаллизации сплавов впоследствии стала основой для создания жаропрочных сплавов.

Для выполнения исследований Е.Ф. Бахметев создал оригинальную камеру вращения для получения дифрактограмм от монокристаллов (рис. 2).

Рис. 2. Камера вращения, сконструированная Е.Ф. Бахметевым, для получения дифрактограмм от монокристаллов

В 1933 г. вышел сборник работ рентгенографической лаборатории, посвященный изучению явлений, имеющих место при деформировании легких алюминиевых сплавов при высоких температурах, методами рентгеноструктурного анализа. Всесторонне исследовались остаточные искажения атомной решетки прессованного дюралюмина, тепловые эффекты и структурные искажения при деформации прессованием и ударом. Результаты исследований позволили чрезвычайно расширить применение структурного рентгеноанализа в отношении явлений технологических процессов штамповки, более глубоко понять их, а следовательно, способствовали более оптимальному выбору технологических приемов для повышения качества штамповок [1–6].

Рентгенографические исследования обязательно вводились в практику заводских лабораторий и составляли часть общего комплексного исследования конкретной производственной задачи, разрешаемой одновременно методами рентгенографии, металлографии, а также с помощью механических и физических испытаний. Сотрудники рентгеновской лаборатории ВИАМ внедрили методики рентгеноструктурного исследования в производство и организовали рентгенографические лаборатории на многих заводах. Работа проводилась комплексно: физик-рентгенолог глубоко знакомился с технологией производства и другими методами исследования, а инженер-технолог повышал свою квалификацию путем основательного изучения физики и рентгенографии, что в результате помогло решить проблему «общего языка» между физиками и инженерами, разработать методики производственного контроля, а также сократить разрыв между фундаментальными и прикладными исследованиями.

Послевоенный период – до 1991 г. Развитие рентгеноструктурного анализа всегда было неразрывно связано с решением стоящих перед институтом задач, направленных на создание новых материалов и технологий их получения. Так, в послевоенные годы в ВИАМ академик АН СССР Сергей Тимофеевич Кишкин предложил метод литья взамен штамповки лопаток двигателя. Началась разработка литейных жаропрочных сплавов и технологий получения литых турбинных лопаток с поликристаллической структурой. Структурные исследования в этой области были направлены на получение регламентированной однородной, равноосной, мелкозернистой макроструктуры отливки. Для контроля такой макро- и микроструктуры в ВИАМ и на производстве применяли в основном методы металлографии.

С начала 1970-х гг. в институте начинают разрабатывать жаропрочные никелевые сплавы и технологию для направленного и монокристаллического литья под руководством профессора Дмитрия Андреевича Петрова и члена-корреспондента АН СССР Алексея Тихоновича Туманова. При разработке технологии монокристаллического литья из жаропрочных никелевых сплавов изучали анизотропию физико-механических свойств монокристалла. Ученые предполагали, что взаимодействие дислокаций в пересекающихся системах скольжения имеет большое значение в деформационном упрочнении образцов различных ориентировок. Необходимо было задать рациональную ориентацию кристаллической структуры лопатки относительно направлений главных действующих напряжений для достижения максимального ресурса работы изделия. Для исследования структурно-чувствительных характеристик прочности монокристаллов, наряду с традиционными методами контроля – визуальным и металлографическим, привлекаются рентгеноструктурные методы [7–9].

Одновременно с развитием материалов и технологий совершенствовалось оборудование для испытаний материалов, что позволило достичь качественно нового уровня при проведении исследований. Самыми распространенными стали рентгеновские дифрактометры общего назначения ДРОН – с горизонтальным гониометром и сцинтилляционным детектором. Рентгеноструктурные исследования проводили на установках ДРОН-2 или ДРОН-3 методом качания для основных кристаллографических направлений. Регистрацию дифракционных максимумов осуществляли с помощью самопишущего потенциометра на бумажной ленте (рис. 3). Для рентгенографического исследования осевой и азимутальной текстур применяли методику полюсных фигур, по которым определяли степень упорядоченности расположения дендритов как в осевом, так и в азимутальном направлениях. Для изучения влияния кристаллографической ориентации на разрушение монокристаллов жаропрочного сплава марки ЖС6Ф в 1985 г. в институте были разработаны и внедрены ускоренный рентгенодифрактометрический метод определения кристаллографической ориентировки монокристаллов, а также расчетные методики и графическое представление результатов рентгеновского исследования в стереографическом треугольнике, включающее модули упругости, коэффициенты Пуассона и величины термических напряжений (приближенная оценка). Определена была температурная и ориентационная зависимость характеристик кратковременной и длительной прочности и упругости монокристаллов первых сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов марок ВКЛС20, ЖС6У, ЖС26 и создан научный задел для их дальнейшей разработки [7–11].

Рис. 3. Дифрактометр общего назначения ДРОН-2 (1977 г.): а – общий вид установки;
б – горизонтальный гониометр ГУР-5

В лаборатории жаропрочных сплавов в период разработки технологии получения литых лопаток вместе с научными исследованиями новых сплавов и их развитием были разработаны для рентгеновских аппаратов ДРОН методики рентгеновского производственного контроля кристаллической структуры отливок с определенной ориентацией структуры. Рентгеновские дифрактометры типа ДРОН стали самым распространенным оборудованием и активно применяются в ВИАМ в настоящее время. Это надежный универсальный отечественный прибор, оснащенный различными гониометрическими приставками, предназначенными для исследований широкого круга кристаллических материалов дифрактометрическими методами.

Постсоветский период – с 1991 г. по настоящее время. Очевидно, что с развитием материаловедения, методов исследования и оборудования неразрывно связан и рентгеноструктурный анализ, широко применяемый при разработках новых авиационных материалов, уровень которых стал более высоким и качественным. В настоящее время лаборатории института оснащены современными автоматизированными высокоточными приборами – дифрактометрами Empyrean PANalytical, D8 DISCOVER, ДРОН-8 с вертикальным гониометром и программным комплексом для управления и сбора данных Data Collection, которые предназначены для решения исследовательских задач института, например прецизионных исследований создаваемых материалов (рис. 4).

Эти приборы обладают высокой точностью угловых измерений и чувствительностью к малым количествам вещества. Высокоразрешающие двумерные и линейные детекторы сокращают продолжительность съемки, поскольку позволяют получить набор дифракционных отражений вещества сразу в широком угловом диапазоне.

Жаропрочные никелевые сплавы основаны на твердорастворном и дисперсионном упрочнении металлической матрицы – фаз γ и γʹ. Дислокационную структуру таких сплавов исследуют методами просвечивающей электронной микроскопии. Методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии определяют значения размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γʹ-фаз при механических испытаниях на прочность. Современные мощные рентгеновские дифрактометры позволяют судить об изменениях структуры по дифракционному расщеплению на рентгенограммах.

Рис. 4. Современные высокоточные рентгеновские дифрактометры Empyrean PANalytical (а), D8 DISCOVER (б) и ДРОН-8 (в)

Оснащение приборов позволяет наблюдать структурные изменения кристаллических материалов при нагревании и исследовать закономерности формирования структурно-фазового состояния различных групп сплавов в режиме реального времени – изменение структуры при изменении температуры с помощью высокотемпературных камер HTK-1200N с вольфрамовым нагревателем и HTK-2000N (Anton Paar) с платиновым нагревателем.

Ведутся также работы по исследованию монокристаллов металлов и сплавов методами рентгеноструктурного анализа для решения таких задач, как определение остаточных напряжений в монокристаллах жаропрочных никелевых сплавов, влияние термомеханической обработки на свойства и структуру сплава, исследование его фазовых и структурных изменений в процессе высокотемпературной ползучести [12–20].

Качество кристаллической структуры монокристаллических отливок лопаток – важнейший технологический производственный критерий, определяющий выход годной продукции и ее себестоимость. Наряду с исследованиями на высокоточных рентгеновских аппаратах совершенствуются методики для производственного контроля качества структуры отливок и технологии выращивания монокристаллов из жаропрочных никелевых сплавов [21–32]. Контроль осуществляется по методу «качания». Для этого традиционно применяют дифрактометры с горизонтальным гониометром. Метод «качания» для контроля данных сплавов имеет специфику: «мягкий» режим съемки (кВ/мА) и невысокую требуемую точность угловых измерений, что дает возможность проводить аналогичные измерения на компактных дифрактометрах настольного типа.

Однако отсутствие в продаже современных компактных дифрактометров с горизонтальным гониометром компенсируют автоматизацией их существующих моделей: с микропроцессорной системой автоматизации МСАРД производства ООО «Эталон СЦ» или системой автоматизации для контроля затравок «Разбраковщик» производства ООО «Ирис» (рис. 5).

Рис. 5. Дифрактометр ДРОН-4 (а) с микропроцессорной системой автоматизации МСАРД (б) и автоматизированный дифрактометр ДРОН-1,5 (в) с системой автоматизации для контроля затравок «Разбраковщик»

Для контроля отливок сложной геометрической формы на производстве востребован метод Лауэ – съемка в «белом» спектре, для этого используют компактную переносную рентгеновскую установку ПРДУ-КРОС производства ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (рис. 6). Многоразовые пластины с люминофором исключают рутинные операции – проявление и сушку традиционной фотопленки. Вспомогательное оборудование (сканер) переводит экспериментальные лауэграммы на монитор компьютера. Созданные специально для кристаллов кубической сингонии программы сокращают процесс обработки лауэграмм до 10–20 с.

Рис. 6. Многофункциональная переносная рентгеновская установка: а – общий вид рабочего места; б – вид внутреннего устройство камеры

Острофокусная трубка с вольфрамовым анодом дает высокоинтенсивный первичной пучок. Габариты рентгенозащитной камеры приспособлены для исследования отливок типовых размеров. Так, старый метод Лауэ стал современным инструментом рентгеноструктурного анализа, доступным как для исследовательских, так и для прикладных задач на производстве.

Заключение

Авиационное материаловедение находится в авангарде всей науки материаловедения в целом. Оно не только изучает свойства материалов, его главная цель – это научно обоснованный прогноз поведения применяемых в технике материалов. На всем протяжении 90-летней истории ВИАМ один из высокотехнологичных методов – рентгеноструктурный анализ ‒ сопровождает разработку авиационных материалов и сплавов, а также исследования взаимосвязи структуры и свойств материалов.
С увеличением объемов исследований и созданием новых видов авиационных материалов и технологий постоянно расширялась и обновлялась база исследовательского оборудования – в частности, высокоточных мощных рентгеновских дифрактометров. Ввиду возрастающих требований к качеству структуры монокристаллических литых изделий из жаропрочных никелевых сплавов на производстве, актуально создание в перспективе специализированных компактных дифрактометров с горизонтальным гониометром, работающих в монохроматическом излучении.