Влияние мощных ионных пучков на топографию поверхности и структуру приповерхностного слоя субмикрокристаллических титановых сплавов

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.

титановые сплавы, мощные ионные пучки, кратеры

1. Логачев Е.И., Ремнев Г.Е., Усов Ю.П. Ускорение ионов из взрывоэмиссионной плазмы. Письма в ЖТФ. 1980. Т. 22. No. 6. C. 1404—1406.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Анищик В.М., Углов В.В. Модификация инструментальных материалов ионными и плазменными пучками. Минск: Изд-во БГУ, 2003.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.