Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы

Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы

Автор: Лейви Артем Ячеславович, Талала Ксения Анатольевна, Красников Василий Сергеевич, Яловец Александр Павлович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering

Рубрика: Новые конструкционные материалы

Статья в выпуске: 1 т.16, 2016 года.

Бесплатный доступ

Приведен анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований по модификации конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы с плотностями мощности 0,1-1000 МВт/см2. Показано, что плотность вложенной в мишень энергии и длительность облучения являются главными факторами, определяющими спектр протекающих в веществе процессов. Возможна реализация двух режимов облучения: докритического и закритического. В докритическом режиме облучения вещество мишени остается в твердом состоянии или же переходит в жидкое, в закритическом режиме происходит формирование плазменного факела и его последующий разлет со скоростью более 103 м/с. Переход от докритического к закритическому режиму носит пороговый характер. Обсуждаются механизмы формирования полей механических напряжений в облучаемой мишени, которые представляют собой распространяющуюся со скоростью звука ударную волну, а также локализованные вблизи облучаемой поверхности напряжения, обусловленные неоднородным по объему полем температур. Описана природа явлений сглаживания микрорельефа облучаемой поверхности и образования на ней микрократеров. Показано, что проявление того или иного явления определяется режимом облучения. Проведен анализ явления массопереноса за счет процессов диффузии, термокапиллярной конвекции и развития неустойчивости Рихтмайера-Мешкова в зависимости от режима облучения. Облучение твердых тел приводит к увеличению плотности дислокаций, в основном, за счет сдвиговой составляющей локализованных напряжений. Уменьшение длительности облучения приводит к более высоким скоростям деформаций, что вызывает более эффективную наработку дислокаций из-за более высоких значений сдвиговых напряжений.

Еще

Электронные пучки, ионные пучки, интенсивные плазменные потоки, модификация микрорельефа, массоперенос, диффузия, термокапиллярная конвекция, дислокации, пластичность

Короткий адрес: https://sciup.org/147151710

IDR: 147151710   |   DOI: 10.14529/engin160103

Список литературы Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы

  • Месяц, Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов/Г.А. Месяц. -М.: Сов. радио, 1974. -256 c.
  • Смирнов, В.П. Получение сильноточных пучков электронов (обзор)/В.П. Смирнов//ПТЭ. -1977. -№ 2. -С. 7-31.
  • Диденко, А.Н. Мощные электронные пучки и их применение/А.Н. Диденко, В.П. Григорьев, Ю.П. Усов. -М.: Атомиздат, 1977. -277 c.
  • Абрамян, Е.А. Интенсивные электронные пучки. Физика. Техника. Применение/Е.А. Абрамян, Б.А. Альтеркоп, Г.Д. Кулешов. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -231 с.
  • Диденко, А.Н Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов/А.Н. Диденко, А.Е. Лигачев, И.Б. Куракин. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -184 с.
  • Бойко, В.И. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц/В.И. Бойко, А.Н. Валяев, А.Д. Погребняк//УФН. -1999. -Т. 169. -С. 1243-1271.
  • Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques/Ed. by Y. Paulea//Elsevier. -2006. -722 p.
  • Стародубцев, С.В. Прохождение заряженных частиц через вещество/С.В. Стародубцев, А.М. Романов. -Ташкент: Наука, Узб. ССР, 1962. -С. 227.
  • Вальчук, В.В. Моделирование воздействия потоков заряженных частиц на слоистые материалы/В.В. Вальчук, С.В. Халиков, А.П. Яловец//Математ. моделирование. -1992. -Т. 4, № 10. -С. 111-123.
  • Leyvi, A.Ya. The Dynamics of Metal Target Surface at Irradiation by Intense Plasma Streams/A.Ya. Leyvi, K.A. Talala, А.P. Yalovets//10-th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 19-24 September 2010. -Tomsk, 2010. -P. 173-176.
  • Уилкинс, М.Л. Расчет упругопластических течений//Вычислительные методы в гидродинамике/М.Л. Уилкинс. -М.: Мир, 1967. -384 с.
  • Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Т. VI: Гидродинамика/Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. -М.: Наука, 1988. -733 с.
  • Численное решение многомерных задач газовой динамики/С.К. Годунов, А.В. Забродин, М.Я. Иванов и др. -М.: Наука, 1976. -393 с.
  • Яловец, А.П. Расчет течений среды при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц/А.П. Яловец//ПМТФ. -1997. -№ 1. -С. 151-166.
  • Яловец, А.П. Пакет программ BETAIN (BEAM TARGET INTERACTION)/А.П. Яловец, А.Е. Майер//Proceedings of 6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 23-28 September 2002. -Tomsk, 2002. -P. 297-299.
  • Колгатин, С.Н. Интерполяционные уравнения состояния металлов/С.Н. Колгатин, А.В. Хачатурьянец//ТВТ. -1982. -Т. 20, № 3. -С. 90-94.
  • Oswald, R.B. The Dinamic response of solids exposed to a pulsed-electron beam/R.B. Oswald, H.A. Jr. Eisen, D.R. Schallhorn//Appl. Phys. Lett. -1968. -Vol. 3, № 8. -P. 279-281.
  • Perry, F.C. Electron beam induced stress waves in solids/F.C. Perry//Appl. Phys. Lett. -1970. -Vol. 17, № 11. -P. 478-781.
  • Боршковский, И.А. Исследование возбуждения акустических волн в металлах электронами и протонами/И.А. Боршковский, В.Д. Воловик//Изв. вузов. Физика. -1973. -№ 10. -C. 72-76.
  • Калиниченко, А.И. Возбуждение акустических колебаний пучком заряженных частиц/А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик-Эльцуфин//ЖЭТФ. -1973. -Т. 65. -C. 2364-2368.
  • Беспалько, А.А. Акустическая дозиметрия интенсивных электронных пучков/А.А. Беспалько, Г.И. Геринг//ЖТФ. -1980. -Т. 50. -С. 213-215.
  • Perkin, J.L. The spalling of aluminium with a pulsed electron beams/J.L. Perkin, E. Norris, D.W. Large//J. Phys. D: Appl. Phys. -1971. -Vol. 4, no. 7. -P. 974.
  • Avery, R.T. Shattering rock with intense bursts of energetic electrons/R.T. Avery, D. Keefe, J. Finnie//IEEE Trans. Nucl. Sci. -1973. -Vol. 20, no. 3. -P. 1010-1014.
  • Gauster, W.B. Pressure response of a solid pulse heated through a polymorphic phase transition: α-β inversion in quartz/W.B. Gauster, F.C. Perry, W.H. Buckalew//J. Appl. Phys. -1973. -Vol. 44. -P. 4970.
  • Демидов, Б.А. Выделение энергии в фокусе сильноточного РЭП в режиме самофокусировки/Б.А. Демидов, М.В. Ивкин, В.А. Петров//ЖТФ. -1978. -Т. 48. -С. 2528-2532.
  • Бацанов, С.С. Использование сильноточных РЭП для осуществления структурных и химических превращений/С.С. Бацанов, Б.А. Демидов, Л.И. Рудаков//Письма в ЖЭТФ. -1979. -Т. 30. -С. 611-613.
  • Возбуждение ударных волн в толстых мишенях сильноточным РЭП/Б.А. Демидов, М.В. Ивкин, В.А. Петров, В.С. Углов//ЖТФ. -1980. -Т. 50, № 10. -C. 2205-2209.
  • Динамические характеристики взаимодействия мощных РЭП с толстыми анодами/Б.А. Демидов, М.В. Ивкин, В.В. Обухов, Ю.Ф. Тимощук//ЖТФ. -1980. -Т. 50, № 10. -С. 2209-2214.
  • Chistjakov, S.A. Dinamical process and changes in metal structure induced high power ion beams/S.A. Chistjakov, A.D. Pogrebnjak, G.E. Remnev//Nucl. Instr. and Meth. -1989. -Vol. 42. -P. 342-345.
  • Чистяков, С.А., Исследование формирования упругопластических волн в металлической мишени при воздействии потоков заряженных частиц/С.А. Чистяков, С.В. Халиков, А.П. Яловец//ЖТФ. -1993. -Т. 63. -В. 1. -С. 31-40.
  • Майер, А.Е. Механические напряжения в облучаемой мишени с возмущенной поверхностью/А.Е. Майер, А.П. Яловец//ЖТФ. -2006. -Т. 76. -В. 4. -С. 67-73.
  • Meyer, L.W. Dynamic Properties of High-Strength Steels at Stretching/L.W. Meyer, H.D. Kunze, K. Seifert; ed. M.A. Meyers and L.E. Murr. -New York: Plenum Press, 1981. -P. 61-67.
  • Application of Large Area Electron Beam Irradiation for Surface Modification of Metal Dies/P. Raharjo, K. Uemura, A. Okada, Y. Uno//Proceedings of the 7th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. -Tomsk, 2004. -P. 263-266.
  • Application of Large Area Electron Beam Irradiation for Surface Modification of Implant Materials/P. Raharjo, K. Uemura, A. Okada, Y. Uno//Proceedings of the 7th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. -Tomsk, 2004. -P. 267-270.
  • Structure-phase states of the metal surface and undersurface layers after the treatment by powerful ion beams/A.D. Korotaev, S.V. Ovchinnikov, Yu.I. Pochivalov et al.//Surface and Coatings Technology. -1998. -Vol. 105. -P. 84-90.
  • Surface morphology and defect substructure of the surface layer of treated by a high-power ion beam/A.D. Korotaev, A.N. Tyumentsev, M.V. Tretjak et al.//Physics of Metals and Metallography. -2000. -Vol. 89. -P. 54-61.
  • Crater creation on the surface of refractory alloy parts during intense pulsed and electron beam irradiation/V.A. Shulov, V.I. Engelko, I.V. Kovalev, G. Mueller//Proceedings of the 7th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. -Tomsk, 2004. -P. 289-292.
  • О механизмах сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении интенсивным потоком заряженных частиц/В.С. Красников, А.Я. Лейви, А.Е. Майер, А.П. Яловец//ЖТФ. -2007. -Т. 77. -В.4. -С. 41-49.
  • PULSED ELECTRON-BEAM MELTING OF CU-STEEL 316 SYSTEM: EVOLUTION OF CHEMICAL COMPOSITION AND PROPERTIES/V.P. Rotshtein, A.B. Markov, Yu.F. Ivanov et. al.//Proc. 7th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. -2004. -P. 258-262.
  • Ионно-лучевая технология обработки лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов с использованием мощных наносекундных пучков/В.А. Шулов, Г.Е. Ремнев, Н.А. Ночовная и др.//Авиационная промышленность. -1992. -№ 2. -С. 12-18.
  • Кратерообразование на поверхности деталей из жаропрочной стали 15Х16К5Н2МВФАВ-Ш при облучении сильноточными импульсными электронными пучками/А.Г. Пайкин, В.А. Шулов, В.И. Энгелько и др.//Упрочняющие технологии и покрытия. -2006. -№ 10 (22). -С. 9-14.
  • Сильноточные импульсные электронные пучки для авиационного двигателестроения/А.Б. Белов, О.А. Быценко, А.В. Крайников и др. -М.: Дипак, 2012. -291 с.
  • Волков, Н.Б. О механизме кратерообразования на поверхности твердых тел при воздействии интенсивных пучков заряженных частиц/Н.Б. Волков, А.Е. Майер, А.П. Яловец//ЖТФ. -2002. -Т. 72. -В. 8. -С. 34-43.
  • О механизме образования микрократеров на поверхности мишени, облучаемой мощным электронным пучком/Н.Б. Волков, А.Е. Майер, К.А. Талала, А.П. Яловец//Письма в ЖТФ. -2006. -Т. 32. -В. 10. -С. 20-28.
  • Richtmyer, R.D. Taylor Instability in Shock Acceleration of Compressible Fluids/R.D. Richtmyer//Comm. on Pure and Appl. Math. -1960. -Vol. XII. -P. 297-319.
  • Мешков, Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемых ударной волной/Е.Е. Мешков//Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. -1969. -№ 5. -С. 151.
  • Влияние параметров облучения сильноточными импульсными пучками заряженных частиц и исходного состояния поверхности твердотельных мишеней на их микрорельеф/А.Я. Лейви, А.Е. Майер, В.А. Шулов, А.П. Яловец//Упрочняющие технологии и покрытия. -2008. -№ 11. -С. 22-30.
  • Изменение рельефа поверхности мишени при обработке компрессионными плазменными потоками/В.М. Асташинский, А.Я. Лейви, К.А. Талала и др.//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2013. -№ 10. -С. 1-8 DOI: 10.7868/S0207352814060055
  • Формирование субмикронных цилиндрических структур при воздействии на поверхность кремния компрессионным плазменным потоком/В.В. Углов, В.М. Анищик, В.В. Асташинский и др.//Письма в ЖЭТФ. -2001. -Т. 74, № 4. -C. 234-236.
  • Импульсное электронно-пучковое легирование сплава БТ6 цирконием путем перемешивания предварительно осажденной многослойной Zr/Ti пленки/В.П. Ротштейн, А.Б. Марков, Н. Шевченко и др.//Письма в ЖТФ. -2008. -Т. 34. -В. 20. -С. 65-72.
  • Pulsed Electron-Beam Melting of Cu-Steel 316 System: Evolution of Chemical Composition and Properties/V.P. Rotshtein, A.B. Markov, Yu.F. Ivanov et al.//Proceedings of the 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. -Tomsk, 2002. -P. 258-263.
  • Ротштейн, В.П. Поверхностная модификация и легирование металлических материалов низкоэнергетическимим сильноточными электронными пучками/В.П. Ротштейн, А.Б. Марков//Вестник ТГПУ. Серия «Естественные и точные науки». -2006. -В. 6 (57). -С. 11-18.
  • Калин, Б.А. Некоторые особенности легирования поликристаллических материалов атомами из многослойных пленок при облучении систем «пленка-подложка» пучком ионов аргона с широким энергетическим спектром/Б.А. Калин, Н.В. Волков//The 6th international confe-rence on modification of materials with particle beams and plasma flows. -2002. -P. 353-358.
  • Sisodia, V. Mixing induced by swift heavy ion irradiation at Fe/Si interface/V. Sisodia, I.P. Jain//Bull. Mater. Sci. -2004. -Vol. 27, No. 4. -P. 393-394.
  • Application of pulsed electron beams for improvement of material surface properties/G. Mueller, H. Bluhm, A. Heinzel et al.//Proceedings 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. -Tomsk, 2002. -P. 328.
  • Гершуни, Г.З. Конвективная неустойчивость несжимаемой жидкости/Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицкий. -М.: Наука, 1972. -285 c.
  • Талала, К.А. Диффузионный массоперенос в многослойной мишени при воздействии интенсивных потоков энергии/К.А. Талала, А.Я. Лейви, А.П. Яловец//ФХОМ. -2011. -№ 4. -С. 13-19.
  • Термокапиллярная конвекция в мишени, облучаемой интенсивным пучком заряженных частиц/Н.Б. Волков, А.Я. Лейви, К.А. Талала, А.П. Яловец//ЖТФ. -2010. -Т. 80. -В. 4. -С. 52-58.
  • Leivi, A.Ya. The Liquid-Phase Mass Transfer of Material in the Film-Substrate System Exposed to Intense Energy Flows/A.Ya. Leivi, A.P. Yalovets, V.S. Krasnikov//High Temperature Material Processes. -2013. -Vol. 17(1). -P. 15-23.
  • Дислокационная субструктура, сформировавшаяся в результате облучения железа низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком/Е.Ф. Дударев, Л.А. Корниенко, С.В. Лыков и др.//Изв. высш. учебн. завед. Физика. -1993. -Т. 36, вып. 5. -С. 42-47.
  • Krasnikov, V.S. Numerical investigation of the change of dislocation density and microhardness in surface layer of iron targets under the high power ion-and electron-beam treatment/V.S. Krasnikov, A.E. Mayer//Surf. Coat. Technol. -2012. -Vol. 212. -P. 79-87.
  • Evolution of vacancy defects and dislocations in surface layers of iron as a result of pulsed electron beam treatment/A.D. Pogrebnjak, A.D. Mikhaliov, N.A. Pogrebnjak et al.//Physics Letters A. -1998. -Vol. 241. -P. 357-363.
  • Physical foundations for surface treatment of materials w ith low energy, high current electron beams/D.I. Proskurovsky, V.P. Rotshtein, G.E. Ozur et al.//Surf. Coat. Technol. -2000. -Vol. 125. -P. 49.
  • The formation of a tungsten containing surface layer in a carbon steel by compression plasma flow/V.V. Uglov, V.M. Anishchik, N.N. Cherenda et al.//Surf. Coat. Technol. -2008. -Vol. 202. -P. 2439-2442 DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.08.045
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp