Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Физика конденсированного состояния (жидкое и твердое состояние)

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   |   УДК: 538.9:   |   DOI: 10.14529/engin160103

Modification of the constructional materials with the intensive charged particle beams and plasma flows

The analysis of the experimental and theoretical work state-of-the-art in the field of the constructional materials modification with the intensive flows of charged particles and plasma with the power density ranging in interval 0.1-1000 MWt/cm2 is carried out. The irradiation modes with the inherent physical processes and the role of different mechanisms in formation of the properties of treated materials are surveyed. The irradiation can be divided onto two modes: subcritical and supercritical. In the subcritical irradiation mode a target material remains in the solid state or melts. In the supercritical regime the formation of plasma torch and its subsequent expansion at a rate of more than 103 m/s are observed. The transition from subcritical to supercritical mode has a threshold character. The mechanisms of mechanical stresses formation under irradiation are discussed, these stresses are the shock wave propagating with a sound velocity and the localized near the irradiated surface stresses arising due to the nonhomogeneous space distribution of the temperature in target material. The reasons of target surface smoothing and of crater formation are given. It is shown that the manifestation of one or another phenomenon of irradiation is determined by its mode. The analysis of mass transfer occurring due to diffusion, thermocapillary convection or development of Richtmyer-Meshkov instability is carried out in accordance with the irradiation mode. The irradiation of the solids leads to the deformation hardening mainly at the expense of shear component of the localized stresses. The decrease of the irradiation duration provokes the high strain rate and the high level of shear stresses that both provide more effective generation of dislocations.

Еще

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
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp