Введение к работе
Актуальность. В последние десятилетия благодаря достижениям в области физики высоких плотностей энергии интенсивно развиваются новые методы поверхностной модификации металлических материалов, основанные на применении концентрированных потоков энергии (КПЗ). К их числу относятся интенсивные импульсные лазерные, электронные и ионные пучки, а также потоки импульсной плазмы. При их воздействии реализуется сверхбыстрые нагрев, плавление, испарение, сверхбыстрое затвердевание материала, возникают динамические поля температур и волны напряжений. В совокупности эти процессы позволяют формировать в поверхностных слоях новые структурные состояния: аморфные и нанокристаллические структуры, сплавы из несмеши-ваемых элементов и т.д. Столь существенные". изменения структурно-фазового состояния поверхностных слоев могут обеспечить улучшение физико-химических и прочностных- свойств материала, недостижимое при традиционных методах поверхностной обработки. Поэтому указанные методы модификации металлических материалов составляют одно из перспективных направлений современного материаловедения.
Интенсивные импульсные электронные пучки (ИЭП) по сравнению с другими видами КПЗ имеют ряд важных преимуществ. В то время как максимальная глубина проникновения фотонов и ионов в кристалл составляет =* Ю-4 см, изменяя энергию электронов, можно легко изменять глубину их проникновения в пределах 10"5-1СГг см, динамику тепловых полей и пространственную диссипацию энергии. Возможность изменения в широких пределах плотности энергии Ед, длительности импульса і и энергии электронов Е в сочетании с практически полным поглощением электронов и объемным характером выделения энергии делают ИЭП уникальным и высокоэффективным инструментом как для исследований неравновесных .структурно-фазовых превращений в твердом теле, так и для целенаправленной модификации структуры и свойств металлических материалов с целью Улучшения эксплуатационных характеристик изделий.
Первые структурные исследования металлов, облученных. ИЭП, были выполнены нами в середине 70-х годов при изучении физики: вакуумных разрядов [1,2]. В этих экспериментах были обнаружены пластическая деформация, эффекты высокоскоростного нагружения и отжига поверхностных слоев, что указывало на возможность использования ИЭП для модификации поверхностных слоев металлических мате-
риалов [3]. Однако до последнего времени исследования в данно направлении в России и за рубежом проводились на лабораторных ис точниках, причем в весьма узких диапазонах параметров пучков. Зт работы были посвящены либо чисто структурным исследованиям1-3 либо их целью было изучение возможности аморфизации и улучшени прочностных свойств поверхностного слоя4-7. В связи с этим наибо лее общие закономерности и механизмы формирования зоны воздействи и их взаимосвязь с параметрами пучка оставались невыясненными.
Незначительные успехи в реализации потенциальных возможносте ИЭП для решения фундаментальных и прикладных проблем были связаны в основном, с недостатком разнообразных по параметрам источнико ИЭП, позволяющих моделировать различные условия формирования зон воздействия пучкз и приемлемых для практического использования Именно по этой причине практически отсутствовали работы по воздей ствию на металлические материалы низкоэнергетичных (10-30 кэВ) ИЭ длительностью 10~6-10~5 с, несмотря на очевидную перспективност таких пучков для обработки тонких поверхностных слоев.
В связи с вышеизложенным становится очевидным, что исследова ния методов генерирования ИЭП и закономерностей изменения струк турно-фазового состояния и свойств металлических материалов в зон воздействия ИЭП являются весьма актуальными как для решения зада в области физического материаловедения, так и для разработки новы методов поверхностной модификации материалов.
Целью работы является комплексное исследование основных зако номерностей и механизмов формирования зоны воздействия ИЭП в ме тэллических материалах в широком диапазоне параметров пучка (Е 10 кэВ - 1 МэВ, т ^ 10_s- 10~4 с, плотность- мощности Ws * 105 1011 Вт/см2) и разработка физических основ импульсной электронно лучевой модификации структуры и свойств металлических материалов.
1Knapp J.A. and Follstaedt D.M. In : "Laser and Electron Bea Interactions with Solids" / Ed. by B.R. Appleton and G.K. Celler North-Holland, New York, 1982, p.407-412.
./Follstaedt D.M. and Knapp J.A. Там" же, p.745-750. ^Picraux S.T., Follstaedt D.M. Там же»- p.751-756. Васильев В.Ю., Демидов Б.А., Кузьменко Т.Г. и др. //ДА СССР, 1983, T.2G8, № 3, с.605-607.
Демидов Б.А., Ивкин М.В., Петров В.А. и др. Поверхность 1985,Л 12, с.87-92.
Рудаков Л.И., Демидов Б.А., Углов B.C. Физ. и хим. обраб мат-лов, 1989, Ш 5, с.11-15.
'Engel'co V.I., lazarenko A.V., Pechersky О.Р. BEAMS-92 Washington, DC, 1992, v.3, p.1935-1941.
Научная новизна. Основные результаты были получены впервые. Наиболее важные из них:
-
В модельном диоде с острийным катодом и плоским анодом экспериментально установлены закономерности возбуждения взрывной электронной эмиссии автоэлектронным током, закономерности токо-прохождения и особенности микроструктуры электронного потока в устойчивой и неустойчивой стадиях взрывной эмиссии, а также характер первичного изменения микрорельефа поверхности анода при воздействии такого.электронного потока.
-
Для чистых металлов (медь и железо) и сплавов на основе железа в широком диапазоне параметров электронного пучка установлены закономерности формирования дефектной и зеренной структуры, а также характер упрочнения. Выяснены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в чистых металлах, облученных низкоэнеpreтичным ИЭП.
-
Определены критические условия зарождения мартенситных кристаллов в углеродистых сталях при высокоскоростной закаже из жидкого состояния.
-
Обнаружен эффект формирования в сталях с мартенситной структурой протяженных, неравномерно упрочненных по глубине, слоев с аномально высокими значениями микротвердости, образующихся в результате воздействия циклических биполярных волн напряжений ма-"лой амплитуды, возбуждаемых низкоэнергетичным МЭИ.
-
Обнаружен эффект объемного квазипериодического упрочнения мартенситной структуры под действием генерируемой мощным ИЭП ударной волны в предоткольном режиме; установлено слабое влияние параметров волны напряжений (ударной волны) на структурно-фазовое состояние слоев с аномально высокой микротвердостью.
6. Обнаружены нетипичные для железо-углеродистых сплавов
структуры, формирующиеся в приповерхностном слое тыльной стороны
мишеней при ударно-волновом нагружении, определены условия обра
зования этих структур.
7. На примере системы Ta-Fe установлены закономерности форми
рования градиентных структурно-фазовых состояний, в тем числе
аморфных, полученных путем импульсного плавления системы пленка-
подложка .
Практическая ценность. Впервые на основе источника низкоэнер-гетичных сильноточных электронных пучков (НСЗП) длительностью =* 10_б с, предложены и реализованы методы поверхностной обработки
конструкционных и, инструментальных материалов, позволяющие при выбранных оптимальных параметрах пучка и условиях облучения эффективно решать следующие технологические задачи:
- улучшение триботехнических характеристик пар трения металл -
металл, металл-полимер;
- увеличение стойкости режущего инструмента, в том числе из твердых сплавов;
повышение усталостной прочности лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), изготовленных из титановых сплавов;
увеличение жаростойкости защитных покрытий на лопатках ГТД, изготовленных из жаропрочных никелевых сплавов;
удаление защитных покрытий с целью ремонта лопаток;
создание высококонцентрированных сплавов в приповерхностом слое;
увеличение коррозионной стойкости нержавеющей стали;
увеличение электрической прочности вакуумной изоляции.
На защиту выносятся следующие положения и результаты
-
Время до взрыва автоэмиттера связано с плотностью пред-взрывного автоэлектронного тока соотношением, удовлетворительно согласующимся с моделью теплового разрушения автоэмиттера. Образующаяся плазма катодного факела разлетается со скоростью » 2-Ю6 см/с, слабо зависящей от скорости нарастания напряженности электрического поля на катоде. Эмиссия электронов из плазмы катодного факела характеризуется наличием устойчивой и неустойчивой стадий. В устойчивой стадии вольт-амперная характеристика диода описывается модифицированным законом "3/2", учитывающим ограниченность эмиссионной поверхности. При скоростях нарастания тока > 107 А/с неустойчивая стадия характеризуется кратковременными (* 10~8 с) выбросами тока и формированием в прикатодной области отдельных микропучков, плотность тока в которых в 5-8 раз выше, чем в устойчивой стадии. Переход в неустойчивую стадию связан с достижением периферийными слоями катодной плазмы режима насыщения. Стабилизирующее влияние на токопрохождение в неустойчивой стадии, сопровождающееся ростом первеанса диода, оказывает увеличение давления остаточного газа до * 10~2 мм рт. ст., а также предварительное заполнение диода прикатодной плазмой.
-
В вакуумном диоде с катодным факелом интенсивному плавлению и испарению поверхностного слоя анода под действием импульсного электронного пучка предшествуют начальные изменения микрорельефа, связанные с высокоскоростной пластической деформацией (полосы
скольжения) и образованием микрократеров. Микрократеры возникают в результате избирательного плавления мжрообъемов металла в местах локализации примесей, создающих с матрицей легкоплавкие эвтектики.
-
Воздействие МЭП на чистые металлы (медь и железо) и сплавы на основе железа приводит к формированию градиентной по глубине дефектной и зеренной структуры, обусловленной динамикой полей температур и напряжений. Эти факторы определяют немонотонный характер изменения напряженно-деформированного состояния и степени упрочнения в зоне воздействия пучка.
-
При закалке углеродистых сталей из жидкого состояния мэр-тенситное превращение реализуется только в том случае, если толщина расплавленного слоя превышает критическую, равную * 5-1СГЛ см. Это связано с существованием минимального критического размера зерна исходной фазы (* 10~4 см), необходимого для зарождения мар-тенситных кристаллов.
-
Эффект формирования градиентной по глубине структуры усиливается при воздействии МЭП на стали с мартенситной структурой, что проявляется в сильном упрочнении стали. Аномальный характер упрочнения связан с перераспределением дефектов под действием биполярных волн напряжений с малой амплитудой. В режиме ударно-волнового-нагружения (амплитуда ударной волны * 50 ГПа), неоднородная квазипериодически упрочненная структура формируется по всей глубине массивного образца.
-
В предоткольном режиме на тыльной поверхности стальных образцов с мартенситной структурой формируются градиентные структурно-фазовые состояния, включающие нетипичную для углеродистых сталей упорядоченную феррит-графитную структуру на самой поверхности, что связано с перераспределением углерода и импульсным нагревом тыльной поверхности при отражении от нее ударной волны. В аналогичных условиях нагружения на тыльной поверхности образцов из серого чугуна формируется структура с аномально высокой (* 2500 кг/мм2) микротвердостью, что связано с ударно-волновым синтезом алмазоподобной фазы на графитных включениях.
-
При импульсном плавлении системы пленка (Та) - подложка (Fe) формируются градиентные структурно-фазовые состояния, в том числе аморфные. Послойный характер их расположения связан.с резким уменьшением концентрации тантала и скорости охлаждения на фронте кристаллизации при удалении от поверхности.
-
Перспективными для поверхностной обработки являются низко-
энергетичные сильноточные электронные пучки длительностью * 1СГ с, которые в сочетании с традиционными видами обработки позволяют решать разнообразные задачи, связанные с улучшением прочностных, электрохимических свойств деталей и инструмента, созданием ремонтных технологий, основанных на удалении нарушенного поверхностного слоя, с увеличением электрической прочности вакуумной изоляции.
Апробация работы и публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 4 (Ватерлоо, Канада, 1970), 6 (Свенси, Англия, 1974) и 16 (Москва, Россия, 1994) Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме; на 9 Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Бухарест, 1969); на 6 (Кобе, Япония, 1986), 8 (Новосибирск, 1990) и 9 (Вашингтон, 1992) Международных конференциях по высокоэнергетичным пучкам заряженных частиц (BEAMS); на Международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц (ЕРМ-89) (Дрезден, 1989); 2 Международной конференции по электронно-лучевым технологиям (ЭЛТ-88) (Варна, 1988); на конференции Американского общества материаловедов (MRS Fall Metting, Boston, 1993); на Международной конференции по модификации свойств поверхностных слоев материалов пучками частиц (Сумы, Украина, 1993); на 4 Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" (Томск, 1995); на всесоюзных конференциях по сильноточной электронике (Томск, 1982, 1984); на всесоюзных конференциях" Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1988; Свердловск, 1991; Томск, 1994); на всесоюзных (межгосударственных) семинарах "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1991, 1993,1995) и др.
Основные результаты исследований изложены в 28 статьях, 3 препринтах, в 14 докладах на международных конференциях и симпозиумах, а также в трудах всесоюзных и всероссийских конференций и семинаров, по результатам работы получено 4 авторских свидетельства и патента на изобретения. Список основных публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа содержит 2 6? стр. текста, 1?у рисунка и V таблиц. Список литературы включает 2^ наименований.
