بررسی رفتار و سینتیک بلوری شدن لایه نازک آلیاژ شیشه ای پایه تیتانیم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه سمنان

10.22076/me.2019.98892.1221

چکیده

لایه نازک با ترکیب شیمیایی Ti45Cu35Zr15Sn5 بوسیله روش کندوپاش مغناطیسی جریان مستقیم در اتمسفر آرگون و در دمای محیط تهیه گردید. بررسی ریزساختار توسط پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی عبوری حاکی از وجود ساختار آمورف در لایه های نازک پس از کندوپاش می باشد. در این مقاله رفتار و سینتیک بلوری شدن لایه نازک شیشه ای با استفاده از آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی بصورت همدما و غیرهمدما مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی آنالیر حرارتی غیرهمدما در سرعتهای گرمایش مختلف حاکی از بلوری شدن دومرحله ای لایه نازک است. با افزایش نرخ گرمایش دماهای بلوری شدن افزایش می یابد و منطقه فوق تبرید کاهش می یابد. محاسبه انرژی اکتیواسیون محلی نشان می دهد که کسرحجمی بلوری شده بر روی مقدار انرژی فعالسازی موثر می باشد. بیشترین مقدار انرژی فعالسازی مربوط به مرحله ابتدایی فرآیند است و با افزایش کسر بلوری شده کاهش می یابد و در مرحله پایانی انرژی فعالسازی ناگهان کاهش می یابد. همچنین منحنی های کسر بلوری شده بر حسب دما برای همه نرخهای گرمایش به صورت سیگمودال می باشد که نشان می دهد، بلوری شدن لایه نازک از طریق فرآیند جوانه زنی و رشد رخ می دهد و بررسی توان اورامی محلی در بلوری شدن همدما، بیانگر این است که مکانیزم بلوری شدن رشد نفوذی دو یا سه بعدی همراه با کاهش نرخ جوانه زنی می باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The crystallization study of glassy thin film Ti-base alloy

نویسنده [English]

  • Maryam Mohri
Faculty of materials and metallurgical engineering, Semnan university
چکیده [English]

Amorphous Ti45Cu35Zr15Sn5 (at.%) thin-films metallic glass was prepared by non-reactive magnetron sputtering in pure argon at room temperature. The microstructural evaluation shows that the as-deposited thin films have a glassy structure. In this paper, the kinetics of isochronal and isothermal differential scanning calorimetry of Ti45Cu35Zr15Sn5 amorphous alloy was analyzed to understand the mechanism of crystallization. The crystallization process constituted of two exothermic transformations occurring from 723 to 863 K. The activation energy of the crystallization was obtained by the Kissinger-kahira-Sunose method. The results show that the activation energy of the Ti45Cu35Zr15Sn5 film for the first and the second crystallization steps were 370 and 300 kJ/mol, respectively. In the case of isothermal crystallization, the crystallization kinetics was modeled by the Johnson–Mehl–Avrami-Kolmogorov (JMAK) equation. The Avrami exponents were calculated to be about 2. The local Avrami exponents indicating that the crystallization mechanism of Ti45Cu35Zr15Sn5 freestanding thin films is three-dimensional growth with either a decreasing nucleation rate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thin film
  • Crystallization
  • metallic glass
  • Ti-Cu-Zr-Sn
[1] W. Klement, R.H. Willens, P.O.L. Duwez, Noncrystalline structure in solidified

gold–silicon alloys, Nature.1960;187:869–870.

[2] H.S. Chen, Glassy metals, Reports on Progress in Physics.1980;43: 353–432.

[3] A. Inoue, High strength bulk amorphous alloys with low critical cooling rates,

Materials Transactions-The Japan Institute of Metals and Materials.1995; 36: 866–875.

[4] A. Inoue, Stabilization of metallic super cooled liquid and bulk amorphous alloys,

ActaMaterialia.2000;48:279–306.

[5] A.L. Greer, Metallic glasses, Science.1995; 267:1947–1953.

[6] W.L. Johnson, Bulk glass-forming metallic alloys: science and technology, MRS Bulletin.

1999; 24:42–56.

[7] W.H. Wang, C. Dong, C.H. Shek, Bulk metallic glasses, Materials Science and Engineering R.2004;44:45–89.

[8] E. Axinte, Metallic glasses from “alchemy” to pure science: present and future of

design, processing and applications of glassy metals, Materials &Design. 2012; 35: 518–556.

[9] E.M. Axinte, M.P.I. Chirileanu, Recent progress in the industrialization of metallic

glasses, Recent Patents on Materials  Science.2012; 5:213–221.

[10] G. Kumar, H.X. Tang, J. Schroers, Nanomoulding with amorphous metals, Nature. 2009; 457: 868–872.

[11] H. Chen, D. Turnbull,Formation, stability and structure of palladium-silicon based alloy glasses, ActaMetallurgica. 1969; 17: 1021-1031.

[12] H. Liebermann, C. Graham, Production of amorphous alloy ribbons and effects of apparatus parameters on ribbon dimensions, IEEE Transaction on  Magnetic. 1976; 12: 921-923.

[13] C.Y. Lin, H.Y. Tien, T.S. Chin, Soft magnetic ternary iron-boron-based bulk metallic glasses,Applied Physics Letters. 2005; 86,162501.

[14] B.L. Shen, H. Koshiba, T. Mizushima, A. Inoue,Bulk Amorphous Fe-Ga-P-B-C Alloys with a Large Supercooled Liquid RegionMaterials Transactions-The Japan Institute of Metals and Materials.2000;41: 873-876.

[17] S. Guo, Z. Wu, L. Liu, J. Alloys. Compd. 468 (2009) 54e57.

[19] K. Kusaka, D. Taniguchi, T. Hanabusa, K. Tominaga, Effect of sputtering gas pressure

and nitrogen concentration on crystal orientation and residual stress in sputtered

AlN films, Vacuum. 2002; 66; 441–446.

[20] C.A. Davis, A simple model for the formation of compressive stress in thin films by

ion bombardment, Thin Solid Films. 1993; 226:30–34.

[21] M. Mohri, D. Wang, J. Ivanisenko, H. Gleiter, H. Hahn, Investigation of the deposition conditions on the microstructure of TiZrCuPdnano-glass thin films, Materials Characterization. 2017;131 : 140–147.

[22] H. Choe, S.M. Abkowitz, S. Abkowitz, D.C. Dunand, Effect of tungsten additions on

the mechanical properties of Ti-6Al-4V, Materials  Science and Engineering A.2006; 396: 99–106.

[23] Z.R. Wang, D.D. Dong,J.B. Qiang, Q. Wang, Y.Min Wang, Ch.Dong, Ti-based glassy alloys in Ti-Cu-Zr-Sn system, Science China Physics, Mechanics and Astronomy,2013 ;56: 1419–1422 .

[24] Q.S.Zhang, H.F.Zhang, Y.F.Deng, B.Z.Ding, Z.Q.Hu, Bulk metallic glass formation of Cu–Zr–Ti–Sn alloys, ScriptaMaterialia. 2003;49: 273-278.

[25] R. A. Clemente, and A. M. Saleh, A kinetic model for two step crystallization, Journal of the Physical Society of Japan, 2005; 74: 773-775.

[27] A. Singh, S. Katakam, J. Ilavsky, N.B. Dahotre, S.P. Harimkar,Nanocrystallization in spark plasma sintered Fe48Cr15Mo14Y2C15B6 bulk amorphous alloy, Journal of Applied Physics.2013;114: 054903.

[28] P. Bruna, E. Pineda, J.I. Rojas, D. Crespo, Phase-field modelling of microstructural evolution in primary crystallization, Journal of Alloys and Compounds.2009;483: 645-649.

[29] H.E. Kissinger, Reaction kinetics in differential thermal analysis, Analytical Chemistry. 1957;29: 1702–1706.

[30] T. Akahira, T. Sunose, Method of determining activation deterioration constant of

electrical insulating materials, Research Report Chiba Institute of Technology, Chiba,1971; 16: 22–23.

[31] M. Avrami, Kinetics of phase change. I general theory, The Journal of Chemical Physics.1939;7:1103–1112.

[32] D.V. Louzguine, A. Inoue, Crystallization behavior of Al-based metallic glassesbelow and above the glass-transition temperature, Journal of Non-Crystalline Solids.2002;311:281–293.

[33]M. Avrami, Granulation, phase change, and microstructure kinetics of phase

change. III, TheJournal of Chemical Physics. 1941;9: 177–184.

[34] J. Málek, The applicability of Johnson–Mehl–Avrami model in the thermal analysis

of the crystallization kinetics of glasses, Thermochimica Acta.1995; 267:61–73.

[35] A. Calka, A.P. Radinski, Decoupled bulk and surface crystallization in Pd85Si15 glassy metallic alloys: Description of isothermal crystallization by a local value of the Avrami exponent

Journal of Material Research. 1988;3:59-66.

[36]W.A. Johnson, R.F. Mehl, Reaction kinetics in processes of nucleation andgrowth, Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 1939;135:416-458.

[37] M. Avrami, Kinetics of phase change I General theoryThe Journal of Chemical Physics.1939;7:1103-1112.

[38] S. Venkataraman, E. Rozhkova, J. Eckert, L. Schultz, D.J. Sordelet, Thermalstability and crystallization kinetics of Cu-reinforced Cu47Ti33Zr11Ni8Si1metallic glass composite powders synthesized by ball milling: The effect of particulate reinforcement, Intermetallics. 2005; 13:833-840 ·