Способ определения поверхностной концентрации компонентов бинарного сплава методом термодесорбционной масс спектрометрии

01 Л 49/14, 49/2 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АТЕЯ ий инст валовПривалова И. Адсорбц , 1978, т.2 А. Методы ити материа- .400. ко ен орциональности ме ро метраи (калибКомитет Российской Федераци о патентам и товарным знака(56) Устинов Ю,КУразаев В.железа на вольфраме. - ФТТВ 4, с.1035-1941,Черепин В.Т Васильев Мприборы для анализа поверхнолов. - Киев: Наук. думка, 1982,Изобретение относится к масс-спектрометрии, в частности к анализу поверхности методом термической десорбции.Известен способ масс-спектрометрического анализа поверхности материалов, по которому поверхностную концентрацию, соответствующую монослойному покрытию поверхности адсорбированными атомами, определяют по появлению характерного пика нэ спектре десорбцииЯ.Наиболее близким к изобретению является способ определения поверхностной концентрации методом термодесорбции, применяемой для бинарных систем типа подложка - адсорбат 2). Изменение концентрации адсорбированных частиц и их начальную концентрацию находят по площади под кривой десорбции. При этом поток десорбции должен быть измерен в абсолютных единицах, т.е. в числе частиц за единицу времени. Для этого необходимо определить(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ БИНАРНОГО СПЛАВА МЕТОДОМ ТЕРМОДЕСОРБЦИОННОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ(57) Использование: в масс-спектрометрии, в частности при анализе поверхности методом термической десорбции. Сущность изобретения: исследуемым сплавом в жидком состоянии заполняют пористый держатель, затем сплав охлаждают до кристаллизации, после чего нагревают до температуры выше температуры плавления, регистрируя при этом температуру нагрева и с помощью массспектрометра величины парциальных потоков десорбции компонентов сплава, 3 ил. измеряемым с помощью масс-спектионным током и потоком десорбцировочный коэффициент),Использование такого способа ограничивает круг изучаемых систем. Так, невозможно определение поверхностной (")концентрации испаряющегося компонента О)в условиях его присутствия в обьеме под- Оложки, так как 1 поверхностная концентрациястановится зависящей от неконтролируемого диффузионного потока, непрерывно изменяющегося при нэгреве образца, и,следовательно, не может быть однозначно Г)связана с полным количеством адсорбата. Вслучае, когда испаряются оба компонентабинарной системы (что характерно для многих металлических сплавов), необходимаядля определения концентрации калибровкамасс-спектрометрэ по пврциальным потокам десорбции становится сложной пробле 2000625мой, так как требуется полное испарение одного из компонентов, количество которого должно быть точно известно. В случае исследования сплавов точное определение их состава весьма трудоемко, а состав исс ледуемого образца сплава может существенно отличаться от среднего состава слитка. Кроме того, на полное испарение навески сплава при непрерывном измерении парциальных потоков испарения требу ется значительное время, на порядок и более превышающее период измерений при исходном составе, При этом еще более увеличивается погрешность калибровки иээа трудности поддержания неизменными 15 параметров масс-спектрометра и условий испарения в течение длительного времени.Использование для калибровки кварцевых микровесов вообще становится невозможным при испарении более чем одного ком понента, Таким образом, при изучении методом термодесорбции поверхности сплавов количественная информация о поверхностной концентрации компонентов известным способом не может быть получе на.Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей за счет исследования процессов на поверхности 30 сплавов при плавлении и кристаллизации,Цель достигается тем, что по способу определения поверхностной концентрации компонентов бинарного сплава методом термодесорбционной "есс-спектрометрии, 35 по которому пробу нагревают и регистрируют нарциальные потоки десорбции, согласно изобретению сплавом в жидком состоянии заполняют пористый держатель, затем сплав охлаждают до кристаллизации, 40 после чего нагревают до температуры выше температуры плавления, регистрируя с помощью масс-спектрометра величину парциальных потоков десорбции компонентов сплава, при этом пористый держатель вы полняют иэ термостойкого материала с углом смачивания исследуемым материалом менее 90 О, а расход расплава с поверхности держателя при испарении восполняют непрерывной подпиткой жидким рэсплавом, 50На фиг,1 дана схема осуществления способа. Схема включает масс-спектрометр 1 для измерения потока десорбции, держатель образца 2 с нагревателем 3 и пористым вкладышем 4 из термостойкого материала, 55Способ определения поверхностной концентрации заключается в следующем. Пористый вкладыш заполняют расплавом, нагревая держатель с вкладышем и навеской исследуемого сплава до плавления по 1 - Ь а=1 1 те/11 ж. П 1 Ь 12 тв/12 ж, (1)Для 2-го компонентап 2-1 - и 1,ГДЕ 11 ж И 12 тв - ИНтЕНСИВНОСтИ ПОТОКОВ ДЕСОР- бции (ионные токи 1-го компонента при фиксированной температуре в интервале от температуры солидус до температуры ликвидус, определенные по графику зависимости ионного тока от температуры образца (фиг,2);2 ж И 12 тв - тО жЕ ДЛЯ 2-ГО КОМПОНЕНта; с - отношение эффективных сечений атомов 1-го и 2-го компонентов.Расчетные формулы получены следующим образом. В основу расчета положено уравнение для ионного тока1=а А й С ехр(-Е/МТ). (2) где а - константа;А - площадь поверхности;М - поверхностная концентрация часС - энтропийный множитель;Е - энергия активации десорбции;М - постоянная Больцмана.При температуре Т в интервале от тпературы солидус до температуры ликвитвердая и жидкая фазы сосуществуют вно ве с и и, т. е, Ствехр(-Етв/кТ)=СжеЕж/МТ). Величина а и площповерхности А сократятся, если записатношение ионных токов при Т:Э=1 тв/11 ж Й 1 тв/Й 1 жЬ 2 тв/12 ж М 1 тв/1 ч 1 ж. (3)Постоянство площади поверхности оразца дает уравнениеЙ 1 те О 1 Й 2 тв 02 =Й 1 ж О 1 +Й 2 ж 02, (4)где 01 и с - эффективные сечения атомо1-го и 2-го компонентов;далее считаем, что величина о для даного компонЕнта одинакова в твердомжидком состояниях сплава.Поверхностная концентрация й рчислу частиц данного компонента на едце площади поверхности. Уравнения (3) емдус равхр(- адь ь отавна инии (4) следнего. а затем охлаждают. Количество сплава должно превышать объем пор вкладыша для обеспечения подпитки последнего по мере испарения расплава, Во время последующего нагрева одновременно регистрируют температуру держателя и с помощью масс-спектрометра значения ионных токов 11 и 12, пропорциональные потокам десорбции компонентов сплава.По результатам измерений вычисляют величину п-относительной поверхностной концентрации компонентов, Для 1-гло ком- понентаПример реализации.Испытания проведены на масс-спектрометре МИ. Температуру образца регистрировали в автоматическом режиме с использованием в качестве датчика термопары ВР 5/20. В источнике ионов был установлен изготовленный из молибдена держатель образца с нагревателем из вольфрамрениевой проволоки. Пористый вкладыш в форме диска диаметром 3 мм и высотой 1,2 мм выполнен иэ пористого вольфрама с размерами зерен от 1 до 10 мкм. Держатель и вкладыш допускают многократное использование. Исследован сплав Сцат,ь 5.Результаты испытания.График, представленный на фиг.2, показывает изменение величины ионного тока основного компонента расплава - меди в зависимости от времени анализа образце. Каждое значение взято иэ отдельного опыта, включающего нагрев с плавлением образца сплава и последующее охлаждение. Все значения соответствуют ТК, Из графика видно, что в течение 40 циклов нагрев - охлаждение площадь поверхности жидкого металла оставалась постоянной благодаря подпитке.График фиг,3 позволяет определить отношения ионных токов, например, при температуре солидус Тс по формулам 40 45 50 55 образуют систему, решение которой можетбыть представлено в виде приведенных выше соотношений (1) с учетом того, что М 1, й 2п 1 - д;-+, п 2 =-,- - Г =1-,п 1 Для применения описанного способа нахождения поверхностной концентрации необходимы постоянство площади поверхности расплава в некотором интервале температур и неизменность этой площади и положения поверхности металла при переходе от твердого металла к расплаву, т.е. при плавлении исследуемого металла, В этом случае изменения величин потоков десорбции (и соответствующих ионных токов) обусловлены только изменениями температуры и поверхностной концентрации. Постоянство площади и положения поверхности анализируемого металла обеспечиваются применением держателя с пористым, смачиваемым расплавом вкладышем. Условием образования на поверхности вкладыша сплошной, покрывающей всю его поверхность пленки расплава является величина угла смачивания менее 90 О. 5 10 15 20 25 30 35 а=11 те/11 ж=ехр Ь 1; Ь =12 тв/12 ж ехр дР где Л 1 и да -соответствующие отрезки на графике.Для расчета величин а и Ь, необходимых для определения концентраций, использовали линейные участки кривых в интервалах температур Т 1 Тс и ТлТ 2, где Т 1-(Тс), а Т 2-(Т,+30).Значения поверхностной концентрации серы, найденные предлагаемым способом для сплава Сц - 1 ат, 3 ври Тс=1340 К, равны при нагреве в-(3,59 + 0,07) ат;и (7,84 + О,ОЩ ет,%,при охлаждении па (3 860,06) ат, ;пт-(11,27 й О,ЩатСреднеквадратичная погрешность отдельного измерения лежит в пределах от 0,1 до 0,3 ат. , что соответствует тОчности измерений (25)Я,. Сравнение найденных значений с имеющимися в литературе результатами расчетов поверхностной концентрации серы показывает качественное соответствие.Таким образом, предлегеемый способ позволяет достоверно определить поверхностные концентрации компонентов бинарного сплава в твердом и жидком состояниях непосредственно по результатам термодесорбционных измерений.Предлагаемый способ может найти применение в научных исследованиях процессов испарения компонентов сплавов, а также при изучении поверхностной сегрегации. Формула изобретения Способ определения поверхностной концентрации компонентов бинарного сплава методом термодесорбционной массспектрометрии, по которому пробу нагревают и регистрируют поток десорбции, о т л ичающийся тем,что,сцельюповышения точности измерений и расширения функциональных воэможностей зе счет исследования процессов на поверхности сплавов при плавлении и кристаллизации, сплавом в жидком состоянии заполняют пористый держатель, затем сплав охлаждают до кристаллизации, после чего нагревают до температуры выше температуры плавления, регистрируя с помощью месс-спектрометрв величину парциальных потоков десорбции компонентов сплава, при этом пористый держатель выполняют из термостойкого материала с углом смачивания исследуемым материалом менее 90, а расход расплава с поверхности держателя при испарении восполняют непрерывной подпиткой жидким расплавом.2000625 орректор С, Юско аказ 3080 Производстве арина, 101 Редактор А. Купряков Составитель Д. ПастуховТехред М,Моргентал Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ательский комбинат Патент", г, Ужгор