Исследование структурно-фазовых изменений сплавов на основе железа при воздействии импульсных ионных и электронных пучков

Актуальность темы

Развитие современной техники приводит к необходимости создания материалов, работающих в экстремальных условиях высоких температур, больших механических нагрузок, агрессивных контактирующих сред, внешнего ионизирующего облучения.

Развитие физики твердого тела и, в частности, радиационной физики твердого тела обусловлено все возрастающим объемом технологических применений радиационных процессов в различных областях науки и техники. При этом бомбардировка заряженными частицами является мощны м средством воздействия на внутреннюю структуру кристаллов и в этом отношении облучение вносит значительный вклад в средства исследований физики твердого тела.

Другой, не менее важной задачей радиационной физики твердого тела является модификация свойств материалов путем воздействия на них ионизирующего излучения.

Обработка поверхности металлов и сплавов ионными и электронными пучками существенно изменяет физико-механические, химические свойства и структуру поверхностного слоя. Имплантация поверхности сталей и сплавов ионами различных металлов позволяет управлять химическим и фазовым составом приповерхностных слоев различных изделий, т. е. производить легирование сплавов различными элементами в различных количествах, что не всегда достижимо традиционными методами. Действие импульсных пучков ионов на поверхность значительно отличается от непрерывных пучков. Для импульсного облучения характерны два процесса: 1. Образование повышенной концентрации дефектов структуры, обусловленной взаимодействием ускоренных частиц с атомами кристаллической решетки- 2. Протекание фазовых превращений, вызванных разогревом металлов и сплавов и их последующим быстрым охлаждением.

Уникальность воздействия мощных импульсных ионных и электронных пучков на твердые тела заключается в том, что большие флюенсы (от 1 до.

100 Дж/см имп.) при коротких длительностях одиночных импульсов (менее.

7 1П.

1мкс) обеспечивает высокие значения потока мощности облучения (10 -10) Вт/см2, которые создают условия для сверхбыстрого (1010−10и) К/с нагрева в области пробега частиц при минимальном теплоотводе. Такой нагрев сопровождается интенсивными процессами плавления, испарения и абляции материала. Остывание металлов происходит со скоростью (Ю9-Ю10)К/с, что позволяет фиксировать в поверхностном слое неравновесные микроструктуры и нерастворимые в обычных условиях, запрещенные равновесными диаграммами состояния сплавов.

Требуемая модификация поверхности обрабатываемого материала с помощью импульсных пучков ионов и электронов может быть осуществлена при поглощенной дозе на 3−6 порядков меньше, чем для непрерывного пучка. Практика воздействия мощных импульсных пучков. ионов (МИПИ) на металлы и сплавы требует дальнейшего развития, экспериментальных и теоретических работ, направленных на изучение динамических процессов взаимодействия МИПИ с металлами и сплавами.

Целью работы являлось выяснение особенностей влияния структурно-фазовых изменений в сплавах на основе железа при облучении импульсными ионными и электронными пучками на их эксплуатационные свойства.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить влияние облучения мощным импульсным пучком ионов на коррозионную стойкость а-железа.

2. Провести расчет температурных полей в системе газ-твердое тело при воздействии импульсного электронного пучка.

3. Исследовать структурные и фазовые изменения в стали в процессе электронно-лучевого легирования импульсными электронными пучками.

4. Изучить формирование фаз в многослойных металлических системах при обработке импульсными электронными и ионными пучками.

Методика исследования. Коррозионная стойкость металлов и сплавов изучалась потенциостатическим методом на потенциостате ПИ-50−1, весовым методом и измерением токов растворения. Топография поверхности облученных образцов исследовалась оптическим методом на микроскопе Неофот-21 и методом растровой электронной микроскопии. Структура и фазовый состав исследуемых систем изучались методом рентгенографии с использованием дифрактометра ДРОН-3 и методом. просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе ЭМ-125. Микротвердость сталей определялась на микротвердомере ПМТ-3.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Экспериментально (весовым методом) обнаружено, что коррозионная стойкость, а — железа, облученного МИПИ, возрастает в 2−3 раза по сравнению с необлученными образцами.

2. Выявлены особенности структурно-фазовых изменений в сталях с покрытиями при облучении импульсными пучками электронов.

3. Установлены закономерности образования переходных метастабильных фаз в двойных и тройных металлических системах при облучении мощными импульсными электронными и ионными пучками.

Практическая и научная ценность.

Работа направлена на исследование возможности улучшения эксплуатационных свойств сплавов на основе железа импульсными пучками электронов и ионов. Полученные в работе данные свидетельствуют об улучшений коррозионной стойкости железа при облучении, что позволяет сделать рекомендации на технологические процессы. 8.

Разработанный метод расчета температурных полей при облучении пучками электронов позволяет оценивать реальные условия воздействия пучка. Кроме этого, результаты работы дают информацию для понимания условий формирования неравновесных фаз при воздействии мощных импульсных пучков заряженных частиц.

Полученная информация может быть использована материаловедами-практиками как для создания новых технологий обработки сплавов с целью улучшения их эксплуатационных свойств, так и для понимания принципов формирования неравновесных фаз в условиях импульсного ввода энергии в материал.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В результате облучения а-железа мощным импульсным пучком ионов в поверхностной области повышается коррозионная стойкость, обусловленная формированием аморфного поверхностного слоя. Характер распределения коррозионной стойкости по глубине образца коррелирует с распределением плотности дислокаций.

2. Тепло-массоперенос при высокоинтенсивном импульсном электроннолучевом легировании обеспечивает образование пересыщенных твердых растворов легированных элементов с железом в переходном слое покрытие-матрица.

3. Облучение мощными импульсными ионными и электронными пучками двойных и тройных металлических систем обеспечивает их перемешивание и обуславливает образование переходных метастабильных фаз, в результате чего улучшаются эксплуатационные свойства материалов.

Достоверность полученных в диссертации результатов и обоснованность научных положений подтверждается:

— применением современных методов исследований (электронной просвечивающей и растровой микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа и др.);

— корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;

— большим экспериментальным и теоретическим материалом.

Личный вклад автора состоит:

— в разработке методики и проведении исследований коррозионной стойкости материалов потенциостатическим, весовым методами и измерением токов растворения;

— в проведении расчетов температурных полей в сталяхпри воздействии импульсного пучка электронов;

— в анализе полученных результатов, их обсуждении, в формулировке выводов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации были изложены и обсуждены на 2-ой Международной конференции «Ядерная и радиационная физика» (Алматы, 1999) — «Inter, conf. Surface layers of non-semi conducting materials using particle beams» MPSL (Sumy, Ukraine 1999) — Международном семинаре «Технологии ядерной энергетики» (Астана, 2000) — Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2000) — 6-ой Республиканской конференции по физике твердого тела (Актобе, октябрь, 2000) — 3-ей Международной конференции «Ядерная и радиационная физика», (Алматы, 2001) — XI Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Украина, г. Феодосия, 2001) — China-Russia Seminar on Nonequilibrium phase transition under ultra-conditions (NEPTUS) (China, Qinhuangdao, 2001) — «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование"(Алматы, 2001).

Содержание диссертации изложено в 27 публикациях, в том числе И статьях и 16 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, первый из которых посвящен аналитическому обзору литературы, три других — экспериментальным результатам, заключения и списка цитируемой литературы, изложенных на 145 стр. печатного текста, включая 59 рисунков, 3 таблицы и 131 библиографических наименований.

Выводы.

1. Главным фактором, определяющим облучение мощными импульсными электронными и ионными пучками (МИЛИ) материалов, является тепловое воздействие. Быстрый нагрев и последующее охлаждение зоны облучения приводят к перестройке и фиксации новых фаз и структур.

2. В двойных системах Fe-Pb, Fe-Al, Fe-Cu, Fe-Ag облучение МИПИ приводит к образованию новых соединений, а также твердых растворов с такой концентрацией вторых элементов, которая запрещена диаграммами фазовых равновесии,.

3. Облучение системы Fe-Ag, которая во многом схожа с системой Fe-Pb, но в которой после облучения не формируются фазы, а образуется твердый раствор Ag в Fe. Такой же результат был получен для системы Fe-Cu, где, наряду с выделениями второго компонента, образуется твердый раствор Си в Fe.

4. Результаты исследований системы Fe-Al показали, что после облучения МИП, возникают условия, при которых формируются соединения, указанные на диаграмме. Вызывает интерес то, что соединения Fe3Al и Fe2Al5, на фазовой диаграмме не могут существовать одновременно. Этот факт может говорить о том, что определяющим для формирования той или иной фазы является наличие областей с неоднородной концентрацией перемешиваемых атомов, а также температур в момент облучения МИПИ. Это, в свою очередь, может быть обусловлено, как неоднородным распределением энергии в пучке МИПИ, так и рассеиванием энергии на дефектах исходного материала.

5. В тройных системах Fe-Cu-Ag, Fe-Ag-Cu после облучения формируются две фазыкристаллическая и аморфная. Причем, в системе Fe-Ag-Cu преобладает кристаллическая структура, которая как и для системы Fe-Cu-Ag представляет собой твердый раствор Си и Ag в a-Fe. Аморфная структура в системе Fe-Ag-Cu представляет собой тонкую сетку в кристаллической структуре. В системе Fe-Cu-Ag аморфная структура представлена в виде сферических выделений, причем объем этой фазы составляет более 50.

130 процентов кристаллической фазы. Таким образом, этот факт говорит о том, что порядок чередования вторых компонентов в виде пленок, существенно влияет на структуру, которая формируется при облучении системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы и результаты работы.

1. Главным фактором, определяющим облучение мощными импульсными электронными и ионными пучками материалов, является тепловое воздействие. Быстрый нагрев и последующее охлаждение зоны облучения приводят к перестройке и фиксации новых фаз и структур.

2. Установлено, что облучение мощными импульсными пучками ионов приводит к повышению коррозионной стойкости а-железа в 2−3 раза за счет образования поверхностного аморфного слоя. Выявлены закономерности скорости коррозии от режимов обработки мощными импульсными ионными пучками. Показано, что с увеличением плотности тока — пучка скорость коррозии вначале уменьшается, но затем увеличивается за счет интенсивного кратерообразования. Данный эффект исключается при облучении несколькими импульсами.

3. В результате расчетов показано, что облучение сильноточными импульсными пучками электронов приводит к значительному нагреву металла. Максимальная температура может достигать градиенты температур имеют значения 104К/см. Темпы нагрева и охлаждениядо104К/с.

4. Показано, что за счет интенсивного тепло-массопереноса при высокоинтенсивном импульсном электронно-лучевом легировании происходит образование пересыщенных твердых растворов легированных элементов с железом в переходном слое покрытие-матрица, что обеспечивает высокие эксплуатационные свойства легированных материалов.

5. Установлено, что импульсными пучками электронов и ионов можно производить перемешивания покрытий с а-железом. Показана возможность получения неравновесных метастабильных фаз в двойных и тройных металлических системах при облучении мощным импульсным пучком ионов.

В работе рассмотрено одно из перспективных и современных направлений развития радиационной физики твердого тела — модификация структуры и эксплуатационных свойств сплавов на основе железа мощными импульсными ионными и электронными пучками.

Такие пучки способны возбуждать сверхплотные возбуждения в электронной и ядерной подсистемах кристаллической решетки и формировать уникальные структурно-фазовые превращения, которые были ранее недостижимы при других видах обработки, включая термическую, механико-термическую, ионную имплантацию и лазерное облучение.

На основе использования мощных импульсных ионных и электронных пучков разработали новые технологии и высокоэффективные способы финишной обработки материалов, с помощью которых удалось успешно решить некоторые новые актуальные задачи. радиационного материаловедения — создание материалов со специальными свойствами для ядерной энергетики, аэрокосмической промышленности, машиностроения, микроэлектроники и др.

Затронутые проблемы, по возможности, освещены как с научной точки зрения, так и в плане промышленного применения, основываясь и отражая новейшие результаты, как ведущих научных школ, так и собственных исследований.

Показано, что облучение мощными импульсными пучками значительно повышает коррозионную стойкость железа и сплавов на его основе. Структурные исследования позволили объяснить полученный результат как формирование аморфных фаз.

Особый интерес для практического материаловедения представляет результаты изучения формирования неравновесных фаз в двойных и тройных металлических системах в результате воздействия мощных импульсных пучков ионов. Ограниченный уровень свойств твердых материалов является основной причиной, сдерживающей успешное развитие технологии их обработки. Облучение мощными импульсными пучками позволяет.

133 значительно расширить интервал свойств за счет формирования неравновесных фаз и структур. Дополнительное сочетание с высоким КПД технологии, на порядок выше, чем при лазерном облучении, малые временные и энергетические затраты определяют их успешное применение широкомасштабных коммерческих технологии.

В заключении выражаю искреннюю благодарность научным руководителям профессору Плотникову C.B. и доценту Кузьминых В. А., а также всем сотрудникам кафедры экспериментальной физики ВКГУ за содействие в проведении экспериментов и обсуждении полученных результатов.