powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-4-82-91powder-408Research ArticleМодифицирование поверхности, в том числе пучками заряженных частиц, потоками фотонов и плазмыModification of Surface Including Charged Particle Beams and Photon and Plasma FluxesВлияние мощных ионных пучков на топографию поверхности и структуру приповерхностного слоя субмикрокристаллических титановых сплавовEffect of high-power ion beams on the surface topography and structure of submicrocrystalline titanium alloy subsurface layersЖидковМ. В.ZhidkovM. V.

Канд. техн. наук, мл. науч. сотр. Центра наноструктурных материалов и нанотехнологий.

308034, Белгород, ул. Королева, 2а, к. 6.

Cand. Sci. (Tech.), junior researcher of the Centre «Nanostructural materials and nanotechnology».

308034, Russia, Belgorod, Korolev str., 2a, build. 6.

zhidkov@bsu.edu.ruЛигачевА. E.LigachevA. E.

Докт. физ.-мат. наук, проф., вед. науч. сотр. лаборатории электрофизических исследований.

119991, Москва, ул. Вавилова, 38.

Dr. Sci. (Phys.-Math.), prof., leading researcher of the Laboratory of lectrophysical investigations.

119991, Russia, Moscow, Vavilov str., 38.

carbin@yandex.ruКолобовЮ. Р.KolobovYu. R.

Докт. физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой наноматериалов и нанотехнологий, зав. лабораторией.

142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр. акад. Семенова, 1.

Dr. Sci. (Phys.-Math.), prof., head of the Department of the nanomaterials and nanotechnologies, head of the Laboratory of the physico-chemical engineering of composite materials.

142432, Russia, Moscow region, Chernogolovka, Academican Semenov pr., 1.

ПотемкинГ. В.PotemkinG. V.

Канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Института физики высоких технологий.

634050, г. Томск, ул. Ленина, 2а.

Cand. Sci. (Phys.-Math.), senior researcher.

634050, Russia, Tomsk, Lenin str., 2a.

ep.gvp@yandex.ruРемневГ. E.RemnevG. E.

Докт. техн. наук, проф., зав. лабораторией Института физики высоких технологий.

634050, г. Томск, ул. Ленина, 2а.

Dr. Sci. (Tech.), prof., head of the Laboratory.

634050, Russia, Tomsk, Lenin str., 2a.

remnev06@mail.ruБелгородский государственный национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»).РоссияBelgorod State National Research University.Russian FederationИнститут общей физики им. А.М. Прохорова РАН.РоссияProkhorov General Physics Institute Russian Academy of Sciences.Russian FederationИнститут проблем химической физики РАН.РоссияInstitute of Problems of Chemical Physics of RAS.Russian FederationТомский политехнический университет.РоссияInstitute of High Physics Technologies of Tomsk Polytechnic University.Russian Federation201814122018048291Copyright © Жидков М.В., Лигачев А.E., Колобов Ю.Р., Потемкин Г.В., Ремнев Г.E., 20182018Жидков М.В., Лигачев А.E., Колобов Ю.Р., Потемкин Г.В., Ремнев Г.E.Zhidkov M.V., Ligachev A.E., Kolobov Y.R., Potemkin G.V., Remnev G.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/408

Исследовано влияние мощных импульсных пучков ионов углерода (энергия ионов 250 кэВ, длительность импульса ~100 нс, плотность тока в импульсе 150–200 А/см2, значение поверхностной плотности энергии одиночного импульса j ~ 3 Дж/см2 при облучении образцов титанового сплава ВТ1-0 и j ~ 1 Дж/см2 при обработке образцов титанового сплава ВТ6, число импульсов – 1, 5, 10 и 50) на топографию поверхности и структурно-фазовое состояние приповерхностного слоя субмикрокристаллических титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6. Поверхность образцов перед облучением предварительно подвергали механической шлифовке и полировке. Показано, что после облучения на поверхности сплавов формируются поверхностные дефекты – кратеры различных форм и геометрии диаметром от долей микрометра до 80–100 мкм. При этом зеренная структура в приповерхностном слое становится более однородной по размерам и степени равноосности зерен. Для исходного состояния титанового сплава ВТ1-0 характерна достаточно однородная структура, средний размер зерен ~0,31 мкм, для сплава ВТ6 ~0,9 мкм. После одного импульса облучения в приповерхностном слое сплава ВТ1-0 (при j ~ 3 Дж/см2) наблюдается рост зерен в поперечном направлении до 0,54 мкм, а у сплава ВТ6 (j ~ 1 Дж/см2) размер зерна уменьшается до ~ 0,54 мкм. После воздействия 50 импульсов средний размер зерна в приповерхностном слое достигает ~2,2 мкм для сплава ВТ1-0 и ~1,6 мкм для ВТ6. Стоит отметить, что для обоих сплавов уже после воздействия 1 импульса мощного ионного пучка формируется достаточно однородная зеренная структура с равноосными зернами.

The study covers the topography and structural phase state of VT1-0 and VT6 submicrocrystalline titanium alloy subsurface layers irradiated by high power pulsed carbon ion beams (ion energy is 250 keV, pulse duration is ~100 ns, pulse current density is 150–200 A/cm2; surface energy density of a single pulse is j ~ 3 J/cm2 when irradiating VT1-0 titanium alloy samples and j ~ 1 J/cm2 when processing VT6 titanium alloy samples; pulse number is 1, 5, 10, and 50). The surface of samples was subjected to preliminary mechanical grinding and polishing before irradiation. It was shown that surface defects are formed on the surface of the alloys after irradiation, namely craters of different shapes and geometries with a diameter from fractions of a micron to 80–100 μm. At the same time, the grain structure in the subsurface layer becomes more homogeneous in terms of grain size and equiaxial properties. The initial state of titanium alloys is characterized by a fairly homogeneous structure with an average grain size of ~0,31 μm for VT1-0 and ~0,9 μm for VT6. After one irradiation pulse, grain growth to 0,54 μm in the transverse direction is observed in the subsurface layer of the VT1-0 alloy (j ~ 3 J/cm2), while grain size decreases to ~ 0,54 μm in the VT6 alloy (j ~ 1 J/cm2). After 50 pulses, the average grain size in the subsurface layer reaches ~2,2 μm for the VT1-0 alloy and ~1,6 μm for VT6. It should be noted that a rather uniform structure with equiaxed grains is formed as early as after treating with 1 high power ion beam pulse.

титановые сплавымощные ионные пучкикратерыtitanium alloyshigh power ion beamscratersReferencesЛогачев Е.И., Ремнев Г.Е., Усов Ю.П. Ускорение ионов из взрывоэмиссионной плазмы. Письма в ЖТФ. 1980. Т. 22. No. 6. C. 1404—1406.Logachev E.I., Remnev G.E., Usov Yu.P. The acceleration of ions from an explosive-emission-plasma. Pis’ma v ZhTF. 1980. Vol. 22. No. 6. P. 1404—1406 (In Russ.).Диденко А.Н., Кузнецов Б.И., Ремнев Г.Е. Исследование влияния облучения сильноточными электронными и ионными пучками на поверхностные свойства инструментальных сталей. Тез. докл. Всесоюз. конф. по применению электронно-ионной технологии в народном хозяйстве. Тбилиси: НИИЭТ, 1981. C. 110—111.Didenko A.N., Kuznetsov B.I., Remnev G.E. Study of the influence of high-current electron and ion beams irradiation on the surface properties of tool steels. In: Theses of reports of the All-Union conference on the use of electron-ion technology in the national economy. Tbilisi: NIIET, 1981. P. 110—111 (In Russ.).Диденко А.Н., Ремнев Г.Е., Лигачев А.Е. Процессы упрочнения и повышения эксплуатационных характеристик сплавов, облученных мощными ионными пучками. Тез. докл. VI Всесоюз. симп. по сильноточной импульсной электронике (Томск, 27—29 мая 1986 г.). Томск: Институт сильноточной электроники СО АН СССР, 1986. С. 163—165.Didenko A.N., Remnev G.E., Ligachev A.E. The processes of strengthening and improving the performance of alloys irradiated with powerful ion beams. In: Abstracts of the VI All-Union symposium on high-current electronics (Tomsk, 27—29 May 1986). Tomsk: Institute of high-current electronics SB USSR Academy of Sciences,1986. P. 163—165 (In Russ.).Didenko A.N., Remnev G.E., Chistjakov S.A., Ligachev A.E. Deffinition of recoil pulse and removal of target mass under effect of high power beams (HPIB). In: Proc. 6-th Int. conf. of high-power particle beams (Kobe, Japan, 9—12 June 1986). P. 77—81.Didenko A.N., Remnev G.E., Chistjakov S.A., Ligachev A.E. Deffinition of recoil pulse and removal of target mass under effect of high power beams (HPIB). In: Proc. 6-th Int. conf. of high-power particle beams (Kobe, Japan, 9—12 June 1986). P. 77—81.Погребняк А.Д., Ремнев Г.Е., Чистяков С.А., Лигачев А.Е. Модификация свойств металлов под действием мощных ионных пучков. Изв. вузов. Физика. 1987. Т. 30. No. 1. C. 52—65.Pogrebnyak A.D., Remnev G.E., Chistyakov S.A., Ligachev A.E. Modification of metal properties under the action of high-power ion beams. Izvestiya vuzov. Fizika. 1987. Vol. 30. No. 1. P. 52—65 (In Russ.).Pogrebnjak A.D., Remnev G.E., Kurakin I.B., Ligachev A.E. Structural, physical and chemical changes induced in metals and alloys exposed to high power ion beams. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B. 1989. Vol. 36. Iss. 3. P. 286—305.Pogrebnjak A.D., Remnev G.E., Kurakin I.B., Ligachev A.E. Structural, physical and chemical changes induced in metals and alloys exposed to high power ion beams. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B. 1989. Vol. 36. Iss. 3. P. 286—305.Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987.Didenko A.N., Ligachev A.E., Kurakin I.B. Effects of charged particle beams on the surface of metals and alloys. Moscow: Energoatomizdat, 1987 (In Russ.).Валеев А.Н., Погребняк А.Д., Плотников С.В. Радиационно-механические эффекты в твердых телах при облучении высокоинтенсивными импульсными электронными и ионными пучками. Усть-Каменогорск: ВКТУ, 1998.Valeev A.N., Pogrebnyak A.D., Plotnikov S.V. Radiation- mechanical effects in solids under high-intensity pulsed electron and ion beams. Ust’-Kamenogorsk: VKTU, 1998 (In Russ.).Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Кащеев В.Н. Влияние ионно-лучевой обработки мощными импульсными пучками на физико-химическое состояние поверхностных слоев и усталостную прочность сплава ЭП718И. Физика и химия обраб. материалов. 1992. No. 6. P. 28—35.Shulov V.A., Remnev G.E., Kashcheev V.N. Effect of ionbeam treatment with powerful pulsed beams on the physical and chemical state of the surface layers and the fatigue strength of the EP718I alloy. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 1992. No. 6. P. 28—35 (In Russ.).Shulov V.A., Nochovnaya N.A., Remnev G.E., Pellerin F., Monge-Cadet P. High-power ion beam treatment application for properties modification of refractory alloys. Surf. Coat. Technol. 1998. Vol. 99. P. 74—81.Shulov V.A., Nochovnaya N.A., Remnev G.E., Pellerin F., Monge-Cadet P. High-power ion beam treatment application for properties modification of refractory alloys. Surf. Coat. Technol. 1998. Vol. 99. P. 74—81.Погребняк А.Д., Иванов Ю.Ф., Лебедь А.Г., Валяев А.Н., Рэнк Т., Томпсон М.О., Жао В. Результат воздействия интенсивного импульсного ионного пучка на свойства углеродистой и нержавеющей сталей. Металлофизика и новейшие технологии. 2000. Т. 22. No. 10. P. 18—24.Pogrebnyak A.D., Ivanov Yu.F., Lebed’ A.G., Valyaev A.N., Renk T., Tompson M.O., Zhao V. The result of intensive pulsed ion beam action on the properties of carbon and stainless steel. Metallofizika i noveishie tekhnologii. 2000. Vol. 22. No. 10. P. 18—24 (In Russ.).Xian-xiu M., Sheng-zhi H., Teng-cai M., Ying-min W., Zhenmin L. Microstructure and wear resistance of high-speed steel treated with intense pulsed ion beam. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B. 2005. Vol. 239. P. 152—158.Xian-xiu M., Sheng-zhi H., Teng-cai M., Ying-min W., Zhenmin L. Microstructure and wear resistance of high-speed steel treated with intense pulsed ion beam. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B. 2005. Vol. 239. P. 152—158.Mei X.X., Sun W.F., Hao S.Z., Ma T.C., Dong C. Surface modification of high-speed steel by intense pulsed ion beam irradiation. Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 5072—5076.Mei X.X., Sun W.F., Hao S.Z., Ma T.C., Dong C. Surface modification of high-speed steel by intense pulsed ion beam irradiation. Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 5072—5076.Wang X., Lei M.K., Zhang J.S. Surface modification of 316L stainless steel with high-intensity pulsed ion beams. Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 5884—5890.Wang X., Lei M.K., Zhang J.S. Surface modification of 316L stainless steel with high-intensity pulsed ion beams. Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 5884—5890.Погребняк А.Д., Кульментьева О.П. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях и свойства металлических материалов после импульсного воздействия пучков частиц. Физическая инженерия поверхности. 2003. Т. 1. No. 2. С. 110—136.Pogrebnyak A.D., Kul’mentieva O.P. Structure-phase transformations in near-surface layers and properties of metal materials after pulse influence of particle beams. Fizicheskaya inzheneriya poverkhnosti. 2003. Vol. 1. No. 2. P. 110—136 (In Russ.).Анищик В.М., Углов В.В. Модификация инструментальных материалов ионными и плазменными пучками. Минск: Изд-во БГУ, 2003.Anishchik V.M., Uglov V.V. Modification of instrumental materials by ion and plasma beams. Minsk: Izd-vo BGU, 2003 (In Russ.).Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Почивалов Ю.И., Овчинников С.В., Ремнев Г.Е., Исаков И.Ф. Фазовоструктурное состояние поверхностного слоя металлических мишеней при воздействии мощных ионных пучков. Физика металлов и металловедение. 1996. Т. 81. No. 5. С. 118—127.Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Pinzhin Yu.P., Remnev G.E. Features of the morphology, defect substructure, and phase composition of metal and alloy surfaces upon high-power ion beam irradiation. Surf. Coat. Technol. 2004. Vol.185. P. 38–49.Volkov N.B., Maier A.E., Yalovets A.P. On the mechanism of cratering on solid surfaces exposed to an intense charged particle beam. Techn. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 2002. Vol. 47. No. 8. P. 968—977.Volkov N.B., Maier A.E., Yalovets A.P. On the mechanism of cratering on solid surfaces exposed to an intense charged particle beam. Techn. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 2002. Vol. 47. No. 8. P. 968—977.Бреховских В.Ф., Рыкалин Н.Н., Углов А.А. О возможном влиянии содержания газов в металлах на зону воздействия луча лазера. ДАН СССР. 1970. Т. 190. No. 5. С. 1059—1062.Brekhovskikh V.F., Rykalin N.N., Uglov A.A. On the possible influence of gas content in metals on the laser beam area. DAN SSSR. 1970. Vol. 190. No. 5. P. 1059—1062 (In Russ.).Demidov B.A., Efremov V.P., Ivkin M.V., Ivonin I.A., Petrov V.A., Fortov V.E. Determination of the dynamic characteristics of aerogels in the energy-release zone of a high-power electron beam. Techn. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 1998. Vol. 43. No. 10. P. 1239—1246.Demidov B.A., Efremov V.P., Ivkin M.V., Ivonin I.A., Petrov V.A., Fortov V.E. Determination of the dynamic characteristics of aerogels in the energy-release zone of a high-power electron beam. Techn. Phys. Russ. J. Appl. Phys. 1998. Vol. 43. No. 10. P. 1239—1246.Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Pinzhin Yu.P., Remnev G.E. Features of the morphology, defect substructure, and phase composition of metal and alloy surfaces upon high-power ion beam irradiation. Surf. Coat. Technol. 2004. Vol. 185. P. 38—49.Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Pinzhin Yu.P., Remnev G.E. Features of the morphology, defect substructure, and phase composition of metal and alloy surfaces upon high-power ion beam irradiation. Surf. Coat. Technol. 2004. Vol. 185. P. 38—49.Zhidkov M., Ligachev A.E., Potemkin G.V., Manokhin S.S., Remnev G.E., Kolobov Yu.R. Study of the structure of crater at the surface of 12Cr18Ni10Ti steel irradiated by high-power pulsed ion beam. Inorg. Mater. Appl. Res. 2018. Vol. 9. No. 3. P. 376—378.Zhidkov M., Ligachev A.E., Potemkin G.V., Manokhin S.S., Remnev G.E., Kolobov Yu.R. Study of the structure of crater at the surface of 12Cr18Ni10Ti steel irradiated by high-power pulsed ion beam. Inorg. Mater. Appl. Res. 2018. Vol. 9. No. 3. P. 376—378.Kolobov Yu.R., Golosov E.V., Vershinina T.N., Zhidkov M.V., Ionin A.A., Kudryashov S.I., Makarov S.V., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Ligachev A.E. Structural transformation and residual stresses in surface layers of alpha plus beta titanium alloys nanotextured by femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A. 2015. Vol. 119. Iss. 1. P. 241—247.Kolobov Yu.R., Golosov E.V., Vershinina T.N., Zhidkov M.V., Ionin A.A., Kudryashov S.I., Makarov S.V., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Ligachev A.E. Structural transformation and residual stresses in surface layers of alpha plus beta titanium alloys nanotextured by femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A. 2015. Vol. 119. Iss. 1. P. 241—247.Kolobov Yu.R., Zhidkov M.V., Golosov E.V., Vershinina T.N., Kudryashov S.I., Makarov S.V., Ionin A.A., Ligachev A.E. Phase composition and structure of femtosecond laser produced oxide layer on VT6 alloy surface. Laser Phys. Lett. 2016. Vol. 1. No. 7. Paper. 076103.Kolobov Yu.R., Zhidkov M.V., Golosov E.V., Vershinina T.N., Kudryashov S.I., Makarov S.V., Ionin A.A., Ligachev A.E. Phase composition and structure of femtosecond laser produced oxide layer on VT6 alloy surface. Laser Phys. Lett. 2016. Vol. 1. No. 7. Paper. 076103.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.