Модифицирование и повреждение материалов потоками высокотемпературной импульсной плазмы

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................................5
ГЛАВА 1. Методы модифицирования приповерхностных слоев материалов
с использованием концентрированных потоков энергии (краткий обзор)....14
1.1. Роль поверхности в обеспечении работоспособности изделий и традиционные способы ее обработки...................................... 14
1.2. Основные процессы взаимодействия концентрированных потоков энергии
с твердым телом, методы модифицирования поверхностных слоев..........17
1.3 Структурно-фазовые изменения металлов и сплавов при обработке
потоками импульсной плазмы...........................................24
1.4. Модифицирование физико-механических свойств материалов при воздействии потоками плазмы.............................................29
1.5. Выводы.............................................................41
ГЛАВА 2. Материалы, условия облучения и методы исследования.....................42
2.1. Исследованные материалы............................................42
2.1.1. Коррозионно-стойкие стали и никелевые сплавы..................42
2.1.2. Углеродистые и низколегированные стали........................42
2.1.3. Сплавы на основе ванадия......................................44
2.1.4. Экранные материалы первой стенки ТЯР..........................45
2.2. Условия обработки потоками импульсной плазмы.......................49
2.2.1. Импульсный плазменный ускоритель МК-200.......................49
2.2.2. Импульсная плазменная установка «Десна-М».....................52
2.3. Условия облучения ионами гелия и аргона............................55
2.4. Экспериментальные методы исследования
структурно-фазового состояния........................................56
2.5. Измерение механических характеристик материалов....................59
2.6. Термодесорбция и водородопроницаемость.............................61
2.7. Определение коэффициентов эрозии и распыления......................62
ГЛАВА 3. Структурно-фазовое состояние металлических материалов,
обработанных потоками высокотемпературной импульсной плазмы...........63
3.1. Оценка температурно-силовых полей, возникающих в материалах
при воздействии потоками импульсной плазмы.........................63
3.2. Топография поверхности и структура модифицированных материалов 75
3.2.1. Топография поверхности облученных образцов....................75
3.2.2. Металлографические исследования поперечной структуры сталей 82
3.3. Электронно-микроскопические исследования структуры
модифицированных слоев.............................................90
3.3.1. Тонкая структура приповерхностных слоев.......................90
3.3.2. Послойный электронно-микроскопический анализ микроструктуры... 94
3.3.3. Влияние кристаллографической ориентации исходного зерна
на упорядоченную структуру......................................98
2
3.4. Механизмы образования упорядоченной структуры......................104
3.4.1. Формирование структуры при режимах обработки
с плавлением..................................................105
3.4.2. Расчет параметров гексагональной ячеистой структуры
для сплавов системы N1 - С....................................112
3.4.3. Образование структуры при обработке без плавления.............116
3.5. Рентгеновские исследования модифицированных сталей.................122
3.5.1. Структурно-фазовое состояние сталей...........................122
3.5.2. Рентгеноструктурные исследования тонкостенных труб............131
3.6. Выводы.............................................................137
ГЛАВА 4. Механические свойства материалов, модифицированных
плазменной обработкой.................................................140
4.1. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов.......................140
4.1.1. Изменение микротвердости поверхности..........................140
4.1.2. Распределение микротвердости по глубине мишени................153
4.2. Трибологические характеристики.....................................157
4.3. Изменение прочностных характеристик................................159
4.4. Эффект дальнодействия при воздействии импульсными потоками плазмы 167
4.5. Выводы.............................................................172
ГЛАВА 5. Поверхностное легирование металлов с использованием потоков
импульсной плазмы.....................................................174
5.1. Основы метода поверхностного жидкофазного легирования..............174
5.2. Основные закономерности поверхностного легирования
углеродистых сталей.................................................177
5.3. Поверхностное легирование тонкостенных труб........................186
5.4. Выводы.............................................................195
ГЛАВА 6. Влияния предварительной плазменной обработки на коррозию
и эрозию при ионном облучении........................................197
6.1. Повышение коррозионной стойкости труб из стали ЭП823
в жидком свинце путем плазменной обработки..........................197
6.2. Коррозия конструкционных сталей при взаимодействии
с имитаторами продуктов деления.....................................212
6.3. Влияние плазменной обработки на коррозию сплавов циркония..........219
6.4. Коррозионная стойкость модифицированных сталей при испытаниях методом АМ...............................................................227
6.5. Влияние плазменной обработки на радиационный блистеринг............231
6.6. Физическое распыление модифицированных материалов..................235
6.7. Выводы.............................................................245
3
ГЛАВА 7. Исследование эрозии и повреждаемости различных материалов при
облучении потоками импульсной плазмы..................................247
7.1. Повреждение материалов в условиях воздействия, имитирующего
ожидаемые срывы плазмы в ТЯР (краткий обзор)......................247
7.1.1. Основные требования к материалам, обращенным к плазме........247
7.1.2. Кандидатныс материалы первой стенки..........................249
7.1.3. Поведение кандидатных материалов в условиях,
имитирующих срывы плазмы.......................................256
7.2. Повреждаемость и эрозия конструкционных материалов при облучении
потоками импульсной водородной плазмы.............................264
7.2.1. Коррозионно-стойкие стали, сплавы на основе никеля, алюминия
и тугоплавких металлов.........................................265
7.2.2. Сплавы на основе ванадия.....................................273
7.2.3. Металлические материалы с покрытиями.........................285
7.3. Эрозия экранных материалов первой стенки ТЯР......................294
7.3.1. Углеродные конструкционные материалы.........................294
7.3.2. Композитный сплав на основе вольфрама........................307
7.3.3. Интерметаллидные сплавы системы Ті-АІ-У......................311
7.4. Влияние имплантированного гелия на эрозию при воздействии
потоками плазмы...................................................322
7.5. Захват и проЕшцаемость изотопов водорода в металлах,
облученных потоками плазмы..........................................327
7.6. Выводы.............................................і..............332
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................334
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................337
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Исследование влияния воздействия потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП) на материалы, помимо изучения фундаментальных физических явлений, представляет значительный интерес в связи с двумя направлениями исследований, проводимых в настоящее время:
• разработкой физико-химических основ экологически чистых технологий модифицирования материалов при обработке концентрированными потоками энергии (КПЭ);
• использованием потоков ВТИП для имитации срывов плазмы, ожидаемых в термоядерных реакторах типа токамак.
Одним из приоритетных направлений физики твердого тела является разработка физических основ и способов повышения эксплуатационных характеристик различных материалов. Как известно [1-3], эффективность, долговечность и надежность деталей и узлов систем и механизмов в значительной степени определяются их поверхностными свойствами. Учитывая это, разработка методов модифицирования поверхностных слоев материалов и изделий является актуальной задачей для развития новых современных технологий. Среди таких технологий весьма перспективными и широко используемыми в промышленно-развитых странах являются методы обработки поверхности концентрированными потоками энергии и ионной имплантации [2-26]. Выполненные в последние два десятилетия исследования показали [15,25, 27], что среди нетрадиционных методов обработки металлических материалов для целенаправленного изменения их структурнофазового состояния и физико-механических свойств весьма эффективным является применение потоков высокотемпературной импульсной газовой плазмы, являющихся одним из видов концентрированных потоков энергии.
Воздействие потоками ВТИП на металлические материалы приводит к созданию приповерхностных слоев с модифицированным структурно-фазовым состоянием, в том числе и неравновесным, имеющих, как правило, высокие физико-механические и физикохимические свойства: мнкротвсрдость, износостойкость, прочностные характеристики, эрозионную и коррозионную стойкость и другие. При этом обработка потоками ВТИП обладает рядом преимуществ не только в сравнении с традиционными технологическими процессами термомеханической и химико-термической обработок, но и с воздействием других видов концентрированных потоков энергии, к числу которых относятся лазерное излучение, сильноточные электронные и мощные ионные пучки и другие. Основными преимуществами данного метода в сравнении с другими нетрадиционными технологиями обработки являются [25,28,29]:
5
- одновременное использование рабочего вещества плазмы как средства для нагрева и легирования приповерхностных слоев материала;
- возможность финишной обработки относительно больших (до 0,15 м2) площадей поверхности или готовых изделий за короткий промежуток времени (один или несколько импульсов длительностью от 3-5 до 100 мке);
- возможность одновременной всесторонней обработки поверхности изделий цилиндрической формы;
- относительно высокая микрооднородность структуры, состава и свойств обработанной поверхности.
В качестве основных недостатков следует отметить высокую наукоемкость разрабатываемой технологии, недостаточную изученность процессов, происходящих при взаимодействии потоков импульсной плазмы с твердым телом, в сравнении с другими методами, а также трудности в управлении потоком плазмы в имеющихся в настоящее время ускорителях.
К началу выполнения данной работы были проведены лишь отдельные исследования [30-35] по изучению влияния воздействия потоками ВТИП на изменения микроструктуры, микротвердости и коррозионной стойкости некоторых материалов. Однако для создания технологий обработки серийных изделий потоками высокотемпературной импульсной плазмы необходимо проведение комплексных научных исследований для выявления закономерностей изменений структурно-фазового состояния материалов и создания физических основ технологий, определяющих требуемые физико-механические и эксплуатационные свойства и, в конечном счете, ресурс изделий.
Другим важным в научном и практическом значении направлением изучения взаимодействия потоков высокотемпературной импульсной плазмы с твердым телом является исследование закономерностей эрозии материалов энергонапряженных конструкций и, в частности, перспективных материалов первой стенки разрабатываемых термоядерных реакторов (ТЯР) типатокамак в условиях, имитирующих ожидаемые срывы тока плазмы.
Осуществление управляемой термоядерной реакции - один из перспективных путей решения энергетических проблем человечества. В термоядерных реакторах типа то-камак компонентами конструкции, контактирующими с плазмой, являются первая стенка, лимитер и дивертор. Материалы этих конструкций будут работать в жестких условиях термоциклических нагрузок, обусловленных цикличностью режима горения плазмы, подвергаться интенсивному воздействию ионов изотопов водорода и гелия, а также распыленных атомов материалов компонентов конструкции, контактирующими с плазмой, с непрерывным энергетическим спектром в широком интервале энергий [36,37]. Следует осо-
6
бо отметить, что для реакторов с магнитным удержанием плазмы, работающих в циклическом режиме, характерным видом воздействия на материалы первой стенки, лимитера и дивертора будут срывы плазмы, достигающие по удельной мощности до - 10 МВт/см2 при длительности воздействия от 0,1 до 3 мс, что может вызвать сильные локальные оплавления поверхности, кипение, испарение (сублимацию) и растрескивание материала. Такие виды повреждений помимо загрязнения плазмы примесями, в конечном итоге, могут привести к ухудшению эксплуатационных свойств и даже выходу узлов реактора из строя. Поэтому выбор материалов для компонентов конструкции рабочей камеры и исследование их радиационной эрозии, в том числе в условиях, имитирующих ожидаемые срывы плазмы, являются актуальными и важными задачами при разработке различных проектов и концепций ТЯР.
К моменту начала выполнения данной работы в литературе практически отсутствовали экспериментальные результаты по изучению эрозии перспективных материалов первой стенки термоядерных реакторов в условиях воздействия, имитирующего ожидаемые срывы плазмы, за исключением нескольких публикаций [30, 38-40], поэтому нами исследовался довольно широкий круг конструкционных и экранных материалов. К тому же, жесткость условий работы, недостаток данных о свойствах материалов и, особенно, их поведении в рабочих условиях, различные варианты конструкций первой стенки ТЯР также объясняют рассмотрение большого количества видов конструкционных и экранных материалов. Поскольку выбранные на сегодняшний день материалы первой стенки международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР - коррозионно-стойкая сталь 8831604, Ве, XV и углеграфитовые композиты обладают целым рядом недостатков, окончательный выбор материалов, контактирующих с плазмой для термоядерных реакторов второго поколения (ДЕМО и др.) еще не сделан и исследования в этом направлении весьма актуальны.
Таким образом, актуальность темы настоящей работы в научном плане определяется развитием нового научного направления - модифицирование металлических материалов потоками высокотемпературной импульсной газовой плазмы, выявлением основных механизмов и закономерностей изменения структурно-фазового состояния и разработкой физических основ технологий обработки, а в практическом отношении - установлением основных закономерностей изменения эксплуатационных свойств различных функциональных материалов и изделий при обработке потоками импульсной плазмы и эрозии перспективных материалов первой стенки ТЯР в условиях, имитирующих ожидаемые срывы тока плазмы.
7
Подтверждение актуальности работы. Актуальность данной работы подтверждается тем, что исследования выполнялись в рамках Государственных научно-технических программ «Технологии, машины и производства будущего», «Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы»; Федеральных целевых программ «Интеграция науки и высшего образования России», «Национальная технологическая база» (раздел «Ядерные технологии нового поколения»); инновационных научно-технических программ «Радиационные комплексы и технологии для научного приборостроения, медицины, обработки сельхозпродукции, производства товаров народного потребления», «Плазменно-лучевые технологии и радиационные комплексы»; межотраслевой программы сотрудничества между Минобразования России и Минатомом России по направлению «Научноинновационное сотрудничество», грантов ДАНТ Минатома РФ в области фундаментальных и поисковых НИР; фундаментальных, поисковых и прикладных НИОКР; Проектов Международного научно-технического центра (МНТЦ) №№ 019-94 и 746-98.
Цель работы - разработка физических основ экологически чистых и энергоэкономичных технологий модифицирования структурно-фазового состояния и эксплуатационных свойств металлических материалов и выявление основных механизмов и закономерностей повреждения твердых тел при воздействии потоками высокотемпературной импульсной газовой плазмы с плотностью мощности падающего потока до 107 Вт/см2 при длительности импульсов 10-60 мкс.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
1. Выявление закономерностей изменения микроструктуры материалов при воздействии потоками ВТИП в зависимости от вида материала, его исходного состояния и режимов плазменной обработки.
2. Исследование изменений структурно-фазового состояния и элементного состава приповерхностных слоев при воздействии потоками импульсной плазмы.
3. Оценка температурно-силовых полей, возникающих в металлических материалах при облучении потоками ВТИП.
4. Разработка физических механизмов модифицирования структурно-фазового состояния и свойств материалов при плазменном воздействии.
5. Определение степени изменения эксплуатационных свойств модифицированных материалов в зависимости от режимов плазменной обработки, вида материала и его исходного состояния; оптимизация режимов обработки для целенаправленной модификации свойств материалов.
6. Исследование возможности легирования металлов через жидкую фазу с использованием потоков ВТИП.
8
Установление характера, закономерностей и степени повреждаемости перспективных конструкционных и экранных материалов первой стенки ТЯР при воздействии потоками импульсной плазмы.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.
Разработаны физические основы модифицирования металлических материалов и изделий потоками высокотемпературной импульсной плазмы с удельной мощностью падающего потока 3’105—5*106 Вт/см2 при длительности импульсов 10-60 мкс.
Впервые выявлены основные закономерности изменения структурно-фазового состояния сталей различного назначения в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов плазменной обработки.
Впервые обнаружено, что при воздействии потоками высокотемпературной импульсной плазмы на металлические конструкционные материалы в приповерхностной области образуется модифицированный слой толщиной до 25 мкм, имеющий упорядоченную субмикрокристалличсскую столбчатую или дислокационную ячеистую структуры и обладающий повышенными физико-механическими свойствами.
Впервые проведены комплексные исследования и выявлены закономерности поверхностного упрочнения и изменения механических свойств металлических материалов в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов плазменной обработки. Впервые установлено, что импульсная плазменная обработка низколегированных, углеродистых и коррозионно-стойких сталей приводит к повышению их коррозионной стойкости в разных агрессивных средах, включая потоки жидкого свинца, и изменяет механизм коррозии с межкристаллитного на фронтальный.
Впервые обнаружено, что предварительная импульсная плазменная обработка уменьшает радиационную эрозию образцов металлических материалов при последующем ионном облучении и уменьшает их водородопроницаемость.
Впервые проведено комплексное, всестороннее исследование эрозии широкого класса перспективных конструкционных и экранных материалов первой стенки ТЯР в условиях, приближенных к ожидаемым срывам тока плазмы, при облучении в импульсных плазменных ускорителях (ИПУ) с использованием водородной и дейтериевой высокотемпературной плазмы.
Впервые исследована эрозия образцов интерметаллидных сплавов системы И-А1-У, полученных разными методами, и установлено, что образцы, полученные компактиро-ванием быстрозакаленных микрокристаллических порошков, обладают высокой стойкостью к эрозии, трещиностойкостыо и стабильностью элементного состава приповерхностных слоев в условиях воздействия, имитирующего срывы плазмы.
Практическая значимость работы заключается, прежде всего, в том, что проведенные комплексные исследования и полученные результаты позволяют создавать новые экологически чистые и энергоэкономичные технологии целенаправленного изменения физико-механических и коррозионных свойств конструкционных и функциональных материалов разных классов и готовых изделий при их обработке потоками высокотемпературной импульсной плазмы. Выявленные основные закономерности изменения структурнофазового состояния, поверхностного упрочнения, повышения коррозионной стойкости в разных средах и уменьшения радиационной эрозии металлических материалов, модифицированных потоками ВТИП, могут быть использованы при выборе оптимальных режимов обработки для повышения эксплуатационных характеристик изделий различного назначения. На основе полученных результатов установлены режимы обработки режущего инструмента (сверл и метчиков), повышающие их ресурс в условиях заводских испытаний в 3-3,5 раза.
Полученные в работе результаты по изменению микроструктуры и фазового состава твердых тел, обнаруженный эффект дальнодействия при импульсной плазменной обработке представляют интерес для исследователей, занимающихся изучением фундаментальных проблем взаимодействия излучения с твердым телом.
Выявлены основные закономерности радиационной эрозии перспективных конструкционных и экранных материалов первой стенки ТЯР, включая коррозионно-стойкие стали, сплавы на основе никеля, ванадия и вольфрама, углеграфитовые материалы, материалы с покрытиями, литые и компактированные интерметаллидные сплавы системы ТьА1-У в условиях, имитирующих срывы плазмы, и даны практические рекомендации о возможности использования исследованных материалов в ТЯР, предложены методы повышения их эрозионной и термостойкости с точки зрения воздействия на них срывов плазмы. На основе полученных результатов разработан способ уменьшения радиационной эрозии металлических материалов при ионном облучении путем их предварительной обработки потоками высокотемпературной импульсной плазмы, на который получено авторское свидетельство на изобретение. Данные результаты могут быть использованы для выбора материалов первой стенки термоядерного реактора ДЕМО и оценки их работоспособности и ресурса в условиях воздействия срывов тока плазмы.
Научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе в Московском инженерно-физическом институте в лекционных курсах и лабораторном практикуме по дисциплинам «Модифицирование материалов концентрированными потоками энергии и ионной имплантацией» и «Специальные вопросы материаловедения ТЯР», а также при подготовке дипломных проектов.
10
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Основные закономерности изменения структурно-фазового состояния сталей разных классов и назначения в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов импульсной плазменной обработки.
2. Экспериментальные результаты по изменению микроструктуры приповерхностных слоев металлических материалов, обработанных потоками высокотемпературной импульсной газовой плазмы.
3. Экспериментальные результаты комплексных исследований и закономерности поверхностного упрочнения и изменения механических свойств металлических материалов в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов плазменной обработки.
4. Экспериментальные результаты по влиянию импульсной плазменной обработки на коррозионную стойкость образцов низколегированных, углеродистых и коррозионно-стойких сталей и сплавов циркония в разных агрессивных средах, включая потоки жидкого свинца.
5. Физические модели формирования микро- или нанокристаллических упорядоченных ячеистых структур в приповерхностном слое металлических материалов в результате воздействия потоками высокотемпературной импульсной плазмы.
6. Качественные физические модели эффекта дальнодействия, уменьшения физического распыления при ионном облучении и повышения механических свойств металлических материалов в результате предварительного воздействия потоками ВТИП.
7. Методика поверхностного жидкофазного легирования образцов, в том числе, фрагментов тонкостенных труб с использованием потоков импульсной плазмы.
8. Экспериментальные результаты по определению коэффициентов и механизмов эрозии различных материалов при воздействии потоками импульсной плазмы в зависимости от плотности мощности падающего потока и числа импульсов облучения.
9. Результаты исследований влияния последовательного воздействия моно- и полиэнер-гетических пучков ионов гелия, водорода и аргона, а также импульсных потоков плазмы на топографию, радиационный блистеринг, физическое распыление и водородо-проницаемость коррозионно-стойких сталей и никелевых сплавов.
Автор защищает выявленные лично и в соавторстве основные закономерности и физические механизмы изменения микроструктуры, структурно-фазового состояния, эксплуатационных свойств и эрозии различных функциональных материалов и изделий при воздействии потоками импульсной плазмы. Формулировка цели и задач работы, основные экспериментальные исследования, обобщение и анализ полученных результатов, обоснование и разработка физических моделей выполнены лично автором.
11
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы под-
тверждается комплексным использованием современных методов исследования, тщательностью проведения экспериментов и оценкой величины погрешности проводимых измерений, экспериментальной проверкой теоретических предположений и физических моделей, сопоставлением с результатами других авторов, признанием полученных результатов на различных международных и отечественных конференциях и в опубликованных научных работах.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих международных, всесоюзных, всероссийских и отраслевых конференциях и совещаниях:
II, III и IV Всес. конф. «Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом» (Москва, 1986; Сухуми, 1988; Фрунзе, 1990); зональной научно-техн. конф. «Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии» (Пенза, 1988); I, III, IV Всес. конф. «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1988, 1994, 1996); XV и XVI Бакурианской школе по радиационной физике металлов и сплавов (Бакуриани, 1988, 1989); Всес. конф. «Ионно-лучевая модификация материалов» (Каунас, 1989); Всес. симпозиуме «Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела» (Ташкент, 1989); Всес. семинаре «Взаимодействие импульсных плазменных потоков с веществом» (Алма-Ата, 1989); X и XIII межд. конф. «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (Куйбышев, 1989; Самара, 1992); первом межд. совещ. стран СЭВ «Радиационная физика твердого тела» (Сочи, 1989); VII межотраслевой школе по физике радиационных повреждений твердого тела (Алушта, 1990); межд. конф. по радиационному материаловедению (Алушта, 1990); Всес. и II межд. конф. «Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов» (Ленинград, 1990; Санкт-Петербург, 1992); IV Всес. семинаре «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов (Петрозаводск, 1990); II и III межотраслевом совещ.; V—VIII, X, XI межнациональном и XII—XVI межд. совещ. «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1992,1993; 1995-1998,2000,2001 и 2002-2006); Intern. Conf. «Evolution of Microstructure in Metals During Irradiation» (Chalk River, Canada, 1992); консультационном симпозиуме «Международное сотрудничество в области конверсионных технологий» (Санкт-Петербург, 1993); 6th, 7th and 8th Intern. Conf. «Fusion reactor materials» (Stresa, Italy, 1993; Obninsk, Russia, 1995; Sendai, Japan, 1997); 11th Intern. Conf. «Plasma Surface Interections in Controlled Fusion Devices» (Mito, Ibaraki, Japan, 1994); второй Московской межд. конф. по композитам (Москва, 1994); четвертой межотраслевой конф. по реакторному материаловедению (Димитровград, 1995); Fourth and Fifth Intern.
12
Symposium on Fusion Nuclear Technology (Tokyo, Japan, 1997; Roma, Italy, 1999); Fourth Russian-Chinese Symposium «Advanced Materials and Processes» (GRINM, Beijing, China, 1997); ежегодных научных сессиях МИФИ (Москва, 1998-2005); Annual Meeting on Nuclear Technology (Germany; Munich, 1998; Düsseldorf, 2004); первом, третьем, четвертом и шестом межд. Уральском семинаре «Радиационная, физика металлов и сплавов» (Снежинок, 1995,1999,2001,2005); Annual meeting of Korea Institute of Surface Engineering (Seoul, Korea, 2000); ls‘ and 2nd Intern. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials (Tomsk, Russia, 2000 and 2006); шестой и седьмой Российская конф. по реакторному материаловедению (Димитровград, 2000 и 2003); XV и XVI межд. конф. по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (Алушта, Украина, 2002 и 2004); 6th and 7th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2002, 2004); Russian (CIS) - Dutch Partnering Event on nanomaterials, metals, alloys, coatings, industrial ceramics and polymers (Amsterdam, Netherlands, 2003); межд. семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VII)» (Обнинск, 2003); 12th Intern. Conf. on radiation physics and chemistry of inorganic materials (Tomsk, Russia, 2003); межд. конф. «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НИМ) - 2004» (Волгоград, 2004); France-Russia Seminar «New Achievements in Materials Science» (Nancy, France, 2004); 14th Intern. Conf. on Textures of Materials (Leuven, Belgium, 2005); 17th Intern. Conf. on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (Hefei Anhui, China, 2006).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 126 печатных работах, включая монографию, учебник для студентов высших учебных заведений, учебное пособие, 3 авторских свидетельства на изобретения, 34 статьи в рецензируемых научных отечественных и иностранных изданиях, 14 статей в трудах международных конференций и 25 статей в сборниках научных трудов и различных конференций.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 357 страницах, включая 169 рисунков, 65 таблиц и 380 наименований в списке литературы.
13
ГЛАВА 1. Методы модифицирования приповерхностных слоев материалов
с использованием концентрированных потоков энергии (краткий обзор)
1.1. Роль поверхности в обеспечении работоспособности изделий и традиционные способы ее обработки
Прогресс в области создания нового продукта промышленного производства, в частности, материалов в значительной степени определяется связями науки, технологии и производства. Основные этапы создания наукоемкого продукта включают фундаментальные и прикладные исследования, опытно-конструкторские разработки, технологическую подготовку производства и собственно производство. Каждая высокоразвитая страна имеет перечень критических технологий, т.с. технологий, определяющих национальные потребности общества в будущем и, фактически, определяющих направления инвестирования в стране. Приоритетное место в перечне критических технологий занимают технологии получения новых материалов [25,41,42]. Существует, по меньшей мере, три технологические схемы получения новых материалов, представленные на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схемы возможных путей создания новых материалов [42]
14
Как видно на рис. 1.1, первая (левая) схема основана на классическом подходе, включающем плавление и затвердевание расплава с последующими термомеханическими обработками (ТМО) литого материала и, при необходимости, дополнительным финишным модифицированием поверхностных слоев материала (изделия) путем химикотермической обработки (при традиционном подходе) или радиационным воздействием. Вторая технологическая (в центре рисунка) схема основана на смешении веществ (порошков, нанокристаллов и др.) с последующим силовым и термическим воздействием для их компактизации и стабилизации структуры. В этом случае тоже часто применяют финишное модифицирование поверхностных слоев. Третья (правая) технологическая схема показывает примеры реализации принципа одновременного создания (конструирования) материала и изделия. Это можно осуществить путем поатомной сборки материала методами нанотехнологий, нанесения покрытий, включая многослойные, и при изготовлении композитов.
Таким образом, как следует из рис. 1.1, технология получения материалов для большинства методов заканчивается модифицированием поверхностных слоев, т.е. изменением структурно-фазового состояния тонкого приповерхностного слоя без изменений в объеме. Это обусловлено тем, что, как отмечалось во введении, эффективность, долговечность и надежность деталей и узлов систем и механизмов в значительной степени определяются их поверхностными свойствами [1-3]. Часто модифицирование проводится на полуфабрикатах тех или иных изделий. Конечной целью модифицирования является изменение физических, физико-механических и физико-химических свойств материалов (изделий), улучшение эксплуатационных свойств изделий, включая конструктивную прочность, жаропрочность, износостойкость, коррозионно-усталостную прочность, трещино-стойкость, жаростойкость, радиационную стойкость и др.
Физико-химические свойства материалов определяются, в основном, их природой, т.е. электронным строением атомов и их взаимодействием, и практически не зависят от микроструктуры. Механические свойства являются структурно чувствительными и, следовательно, изменение микроструктуры сопровождается изменением всего комплекса механических свойств, оказывает влияние на большинство эксплуатационных свойств. В материаловедении разработан комплекс методов (технологий) упрочнения материалов путем их легирования, термической и механической обработок, основанных на создании сопротивления движущимся под действием внешних напряжений (деформаций) дислокациям (так называемым деформационным дислокациям) [25,43,44].
• Увеличение энергии межатомной связи, например, путем легирования.
• Деформационное упрочнение в результате пластической деформации.
15
• Дисперсионное упрочнение, т.е. упрочнение дисперсными частицами, выделившимися из пересыщенного (при закалке) твердого раствора при отжиге (старении).
• Дисперсное упрочнение частицами второй фазы, специально введенными в упрочняемую матрицу.
• Зернограничное упрочнение за счет увеличения протяженности границ зерен.
Для обеспечения усталостной или коррозионно-усталостной прочности кроме упрочнения материала необходимо сформировать гомогенный (по составу) твердый раствор, особенно в поверхностном слое, создать определенный уровень сжимающих напряжений в приповерхностном слое, обеспечить отсутствие на поверхности микротрещин и пор. Наиболее перспективным состоянием материала, с точки зрения коррозионно-усталостной прочности, является аморфная или микрокристаллическая структура.
Анализ знаний, накопленных в области материаловедения, позволяет сделать вывод, что для обеспечения комплекса наилучших характеристик, в том числе механических свойств, изделий из металлов и сплавов необходимо создать заданную макро- и микроструктуру с контролируемым химическим составом, включая примеси, при этом в большинстве случаев важно получить химическую и структурную однородность материала.
К основным факторам, определяющим свойства сплава, можно отнести: наличие твердого раствора; размеры зерен; выделения частиц второй фазы; степень развитости дислокационной структуры; возможность прохождения структурно-фазовых превращений. Учитывая это, традиционными методами повышения эксплуатационных характеристик металлических материалов являются следующие: 1 - легирование; 2 - термическая обработка (ТО); 3 - механическая обработка (деформация); 4 - термомеханическая обработка (ТМО); 5 - химико-термическая обработка (ХТО); 6 - нанесение защитных покрытий. Использование первых четырех из вышеперечисленных методов, как правило, применяется для изменения структуры, химического и фазового состава всего объема материала. При химико-термической обработке и нанесении покрытий изменяется состав и структура приповерхностных слоев материала, оказывающих определяющее влияние на свойства и характер процессов, протекающих при эксплуатации готовых изделий. Традиционно используемыми в промышленности методами модифицирования поверхности, направленными на изменение структурно-фазового состояния тонкого приповерхностного слоя без изменений в объеме, являются следующие [25,41,45].
1. Поверхностная пластическая деформация (дробеструйный наклеп; центробежношариковый наклеп; накатка, обкатка, выглаживание поверхности; пластическое деформирование взрывом).
2. Поверхностная термическая обработка (индукционный нагрев).
16
3. Химико-термическая обработка.
3.1. Диффузионное насыщение поверхностного слоя различными элементами (углеродом, азотом, бором, кремнием, металлами) из газовой, жидкой или твердой фаз:
• азотирование при температурах Т = 500-600 °С (низкотемпературное) и при Т-600-1200 °С (высокотемпературное); активное вещество (среда) - N2, ИНз;
• цементирование (Т= 910-930 °С; среда - С, СН4, уголь + ВаСОз + СаСОз);
• нитроцементирование при Т= 820-950 °С (среда - С+Ыг) и цианирование (среда-ЫаСЫ);
• борирование (Т= 930-950 °С; среда - В, Ь^В.^, В4С);
• силицирование при Т < Га-»у (среда - 81);
• металлизация (хромом, алюминием, цинком и другими металлами).
3.2. Электролитическое насыщение (нанесение) поверхностного слоя (хромирование, титанирование, алитирование, оксидирование и другие).
4. Нанесение пленок, покрытий, плакирующих слоев.
При этом в настоящее время технологические возможности данных методов практически исчерпаны, и дальнейший прогресс в новейших областях техники, современном машиностроении, энергетике и других связан с широким внедрением в практику новых нетрадиционных методов получения материалов с заданными свойствами и всесторонним изучением их функциональных характеристик. Кроме того, проблема развития новых технологий модифицирования поверхностных слоев с целью улучшения эксплуатационных характеристик изделий в целом в настоящее время приобрела большое значение в виду ужесточения экологических требований современного производства, а также необходимости экономии дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.
1.2. Основные процессы взаимодействия концентрированных потоков энергии с твердым телом, методы модифицирования поверхностных слоев
Учитывая, что многие свойства материалов и готовых изделий в значительной степени определяются состоянием, элементным и структурно-фазовым составом приповерхностных слоев, начиная с конца 60-х годов возникла и интенсивно разрабатывается новая область нетрадиционных (радиационно-пучковых) технологий модифицирования металлических материалов, основанных на обработке в процессе изготовления изделия исходного материала или изделия в целом концентрированными потоками энергии. В настоящее время развивается несколько направлений нетрадиционных методов обработки, основанных на применении разных видов воздействия (источников излучения): помимо лазер-
17
ного излучения [2, 7, 13, 16, 25, 46, 47], используются сильноточные импульсные электронные пучки (СИЭП) [2-5, 7, 8,10, 18, 21, 25,48-62], мощные импульсные ионные пучки (МИП) [3, 10, 11, 17, 20,22,25,63-80], потоки высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП) [15,19,25,27-35, 81-103].
Воздействие излучения на вещество условно можно разделить на радиационное и тепловое. При радиационном, ионизирующем воздействии плотность мощности пучка не превышает ~ 200 Вт/см , а при увеличении плотности мощности потока до 10 Вт/см и выше возрастает и превалирует тепловое воздействие на вещество [25].
Для поверхностной обработки КПЭ общим являются высокие (~ 105-10м Вт/см2)
л
плотности мощности и энергии (до ~ 100 Дж/см ) падающего потока излучения, высокие градиенты температуры (106—108 К/см), создаваемые в приповерхностном слое, и высокие (104—1010 К/с) скорости нагрева и охлаждения, достигаемые при определенных условиях. Модифицирующие действие при обработке изделий КПЭ происходит за счет осуществления целого ряда физических процессов, основными из которых являются [2,25,27,41]:
• высокоскоростной нагрев и охлаждение поверхностного слоя, приводящие к созданию в материале градиента (У 7) температурных полей;
• имплантация и ионное перемешивание легирующих элементов, создающие градиент (УСЛ.Э.) их концентрации в приповерхностных слоях;
• дефектообразование (градиент вакансий УСу и междоузельных атомов УС^;
• термические и структурные напряжения, обусловленные градиентами УГ, УСЛЭ., УСь УСУ;
• структурно-фазовые превращения;
• физическое и химическое распыление, испарение атомов поверхностного слоя;
• плазмообразование вблизи поверхности мишени;
• химическое взаимодействие атомов мишени со средой или бомбардирующими частицами, приводящее к образованию разных соединений;
• осаждения атомов или молекул на поверхности с регулированием эпитаксии;
• термическая и радиационно-стимулированная диффузия;
• ударно-волновое воздействие вследствие газодинамического разлета плазмы и пара с поверхности.
В большинстве случаев изменения свойств металлов и сплавов при использовании методов модифицирования концентрированными потоками энергии обусловлены одновременным или раздельным действием теплофизических (термообработка), металлургических (легирование) и ударно-волновых (деформация) процессов, вызывающих структур-
18
но-фазовые превращения в материалах. При этом могут быть созданы экстремальные условия прохождения данных процессов, приводящие к получению неравновесных структурно-фазовых состояний и, обусловленных этим, свойств материалов, недостижимых традиционными технологиями их получения и обработки.
Основные процессы, происходящие при воздействии КПЗ на поверхность металлов и сплавов, могут быть представлены в виде схемы, приведенной на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Основные процессы, происходящие при воздействии КПЗ на поверхность
металлических материалов [7]
(* - процессы, происходящие преимущественно при лазерном облучении)
Качественное рассмотрение приведенной на рис. 1.2 схемы показывает наличие сложного взаимодействия между происходящими процессами. Воздействие КПЗ на материалы приводит к поглощению части энергии падающего потока и образованию на поверхности или в объеме тела теплового источника, пространственно-временные характеристики которого определяются параметрами КПЗ, свойствами среды, в которой находится обрабатываемый материал, и его физическими свойствами. Поглощение энергии приводит к нагреву мишени вплоть до температур, вызывающих плавление и испарение поверхностного слоя. При этом скорость истечения продуктов испарения может быть столь высока (~ 103 м/с), что мишень в целом приобретает реактивный механический импульс отдачи.
В результате нагрева приповерхностных слоев и возникновения градиентов температуры в материале создаются поля термических напряжений, которые могут достигать
19
значительной величины (выше предела текучести). Кроме того, нагрев может также приводить к частичному или полному окислению поверхности, которое изменяет коэффициент поглощения энергии и, в конечном счете, кинетику нагрева металлической мишени.
При определенных условиях воздействия у поверхности обрабатываемого материала происходит пробой окружающей среды (атмосферы) с образованием плазменного факела (в случае лазерного и электронного облучения), а также формирование плазменной «подушки». Образовавшаяся плазма может полностью экранировать мишень и поглощать до 100 % энергии падающего излучения. В этом случае поглощенное плазмой излучение передается мишени, т.е. ее нагрев становится косвенным.
Нагрев и последующее охлаждение материала вызывает в нем структурные и фазовые изменения. При этом в результате перегрева при плавлении и быстрого охлаждения возможно образование метастабильных твердых растворов и фаз, отсутствующих на равновесной диаграмме состояния обрабатываемой системы. В предельных случаях развивающиеся при обработке металлических материалов КПЭ скорости охлаждения могут превосходить критические скорости закалки жидких металлов и сплавов, необходимые для фиксирования аморфного (стеклообразного) состояния. Переплавление тонкого поверхностного слоя при воздействии КПЭ с последующим быстрым охлаждением дает возможность проводить поверхностное легирование металлических материалов через жидкую фазу.
Учитывая процессы, происходящие при взаимодействии разных видов источников излучения с твердым телом, модифицирование поверхности конструкционных и функциональных материалов может осуществляться различными методами:
• изменением структурно-фазового состояния приповерхностных слоев на глубинах до нескольких десятков микрометров в результате их быстрого нагрева и высокоскоростного охлаждения или в результате ударно-волнового воздействия;
• изменением элементного и фазового состава приповерхностных слоев в результате прямой имплантации атомов или перемешивания, в том числе через жидкую фазу, предварительно нанесенных специальных обмазок или покрытий (пленок) легирующих элементов;
• нанесением пленок и покрытий, в том числе многослойных, путем испарения материалов специальных мишеней и конденсации образующихся частиц на подложку;
• изменением топографии поверхности, как правило, деталей или полуфабрикатов вследствие ионного или плазменного распыления, полировки и оплавления поверхности.
Концентрированные потоки энергии находят применение, как для модифицирования поверхностных слоев, так и для получения (синтеза) новых материалов. В настоящее
20
время в той или иной степени развиваются все технологические направления обработки с использованием разных источников КПЭ. В качестве основных преимуществ технологий обработки поверхности с использованием концентрированных потоков энергии в сравнении с традиционными методами обработки следует отметить следующие [2,7,25,27]:
• экологическая чистота процессов обработки;
• локальность обработки во времени и пространстве;
• возможность обработки заданных участков поверхности при минимальном искажении геометрии обрабатываемой поверхности изделия и минимальных термических напряжениях;
• обработка и модифицирование поверхностных слоев без изменения свойств объема материла (исключаются затраты энергии на обработку внутренних не требующих модифицирования объемов);
• увеличение растворимости (содержания) элементов в твердом состоянии и возможность создания метастабильных пересыщенных твердых растворов и промежуточных фаз.
Среди основных недостатков данных радиационных технологий необходимо отметить:
• относительно высокая сложность и дороговизна используемого технологического оборудования и, следовательно, обработки;
• трудности при обработке изделий сложной конфигурации с пересекающимися поверхностями;
• относительно небольшая толщина модифицированного слоя.
Проведенные на основе имеющихся литературных данных анализ и сравнение основных технологических характеристик обработки с помощью разных источников концентрированных потоков энергии показал (табл. 1.1), что каждый из используемых в настоящее время в производстве или находящийся на стадии разработки нетрадиционный метод модифицирования материалов обладает как преимуществами, так и недостатками.
Как видно из табл. 1.1, основными недостатками лазерного излучения являются низкие коэффициенты полезного действия лазеров и поглощения падающего излучения. Первый приводит к повышенным энергозатратам при получении КПЭ, а второй требует дополнительной предварительной обработки поверхности изделия, в частности, нанесения покрытий для увеличения поглощательной способности материла. Кроме того, вследствие малости поперечного сечения пучка (диаметр пучка, как правило, не превышает несколько миллиметров) при обработке относительно крупных изделий возможна неоднородность модифицирования поверхности и, как следствие, неоднородность получаемого
21
Таблица 1.1.
Сравнительные характеристики обработки металлических изделий разными источниками концентрированных потоков энергии [25]
^^^^Т'ип излучения Характеристика метода Лазерное излучение Потоки плазмы Мощные ионные пучки Электронные пучки
Экологическая чистота обработки + + + +
Возможность обработки относительно больших поверхностей (> 100 см2) за импульс + + +
Толщина модифицированных слоев + ± ± +
Возможность достижения микрооднородности обработки поверхности — ± ± ±
Возможность всесторонней обработки поверхности за импульс - + — -
Возможность использовать рабочее вещество для нагрева и легирования поверхностных слоев + ±
Эффективность источника излучения (установок) — + + +
Коэффициент поглощения падающего излучения — + + +
Необходимость предварительной обработки поверхности — + + +
Необходимость вакуумирования изделий + — — ±
Использования высокого напряжения + ± — —
Степень изученности процессов взаимодействия излучения с твердым телом + ± ± +
Отсутствие микродуг и кратеров на обработанной поверхности ± + — ±
+ преимущество метода; - недостаток метода
структурно-фазового состояния и свойств приповерхностных слоев.
Наиболее близкими по сравнительным характеристикам и характеру воздействия на металлические материалы являются источники МИП и потоков ВТИП. При этом существенным недостатком МИП считается повреждаемость поверхности обрабатываемых изделий вследствие образования кратеров [104-109]. Подобное явление также свойственно обработке сильноточными электронными пучками [50, 52, 53,111]. Размер образующихся кратеров может изменяться в широком интервале от нескольких нанометров до нескольких сотен микрометров в зависимости от условий облучения и вида материала. Кратеро-образованис на поверхности может возникнуть в результате следующих процессов: при филаментации (расслоении) пучка ионов или электронов; вследствие экранирования по-
22
верхности паром легколетучих компонентов (адсорбированных элементов); из-за выхода на поверхность пузырьков растворенных газов; вследствие избирательного плавления (испарения) фаз и перехода их в плазму; при бомбардировке расплавленного участка поверхности «хвостом» импульса и др. Образующиеся кратеры создают концентраторы напряжений и могут оказывать негативное влияние на прочностные свойства и коррозионную стойкость модифицированных изделий.
К недостаткам применения МИП и СИЭП в технологических целях следует также отнести использование высоких ускоряющих напряжений (как правило, V = 300 кВ и более для МИП и более 100 кВ для ускорителей СИЭП). Это приводит к необходимости использования специальных мер защиты, в том числе, дополнительной радиационной защиты обслуживающего персонала от вторичных излучений [4, 25]. К настоящему времени наибольшее распространение получили импульсные электронные пучки с длительностью
о л
10“ -10 си энергией электронов в диапазоне 0,02-2 МэВ. В частности, в ИСЭ СО РАН, КЯФ СО РАН, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова проведены пионерские работы по изучению воздействия на различные материалы СИЭП с плотностью мощности от 10 до 10 Вт/см . Кроме того, разработаны, в частности, в ИСЭ СО РАН (г. Томск) ускорители низкоэнергетических (средняя энергия за импульс 6-20 кэВ) сильноточных импульсных электронных пучков с длительностью импульса 0,1-5 мке [18, 112, 113], которые используются для разработки технологий модифицирования металлических материалов [18,21,53-56,114-117].
В качестве основных недостатков обработки с использованием потоков ВТИП необходимо отметить трудности в управлении потоком плазмы и недостаточную изученность процессов, происходящих при взаимодействии потоков высокотемпературной импульсной плазмы с твердым телом в сравнении с другими методами. При этом важными преимуществами обработки потоками ВТИП являются возможность одновременной всесторонней обработки поверхности изделия за импульс и использования плазмообразующего газа для нагрева и легирования поверхностных слоев [25,45, 100,101].
Каждый источник КПЭ имеет свои особенности воздействия на твердое тело. В первую очередь это касается механизмов передачи энергии в твердом теле: электронам при лазерном излучении, электронам и ядрам при электронном облучении, атомам, электронам и ядрам при ионной и плазменной обработке. Вследствие этого наблюдаются отличия в характере выделения энергии по глубине мишени и, следовательно, в распределении температуры и возникающих термонапряжеиий в твердом теле. При этом наибольшее проникновение в глубину мишени и толщину модифицированного слоя можно достичь при электронно-лучевой обработке [25,45].
23
Основными регулируемыми при обработке технологическими параметрами источников КПЗ являются удельная мощность падающего потока (2 (Вт/см2) и время воздействия излучения t (с). Кроме того, определенное влияние также оказывают температура мишени и состав среды в рабочей камере. Существующие в настоящее время установки для получения разных типов КПЗ позволяют изменять эти параметры в широких пределах, причем возможно как импульсное или импульсно-периодическое воздействие, так и непрерывное. При этом для различных типов импульсных ускорителей время воздействия может составлять от десятков наносекунд до десятков микросекунд, а удельная мощность падающего потока изменяется в интервале от 103 до 10м Вт/см2 и выше.
1.3. Структурно-фазовые изменения металлов и сплавов при обработке потоками импульсной плазмы
Первые исследования по изменению микроструктуры приповерхностных слоев металлических материалов при воздействии потоков высокотемпературной импульсной газовой плазмы были проведены в ГНЦ РФ ТРИНИТИ [31, 32]. Образцы из легкоаморфи-зующегося сплава Ре77В|9814, а также сталей ШХ15 и 30ХГСН2А обрабатывались в электродинамическом ускорителе потоками импульсной (т„ = 5-10 мкс) водородной плазмы [31] и дейтериевой импульсной (т„ = 3 мкс) плазмы с плотностью энергии 60-70 Дж/см2, генерируемой в плазменном инжекторе с коническими электродами [32]. Проведенные рентгеноструктурные исследования и использованием Си Ка - излучения показали, что в облученных образцах из сплава Рс77В 19814, наряду с дифракционными линиями (110) от а -железа, наблюдается характерное для аморфной структуры гало. Кроме того, съемка в более мягком рентгеновском излучении (Ре Ка) приводила к увеличению отношения интенсивностей /галДпо)- Полученные результаты позволили авторам сделать вывод об образовании при плазменной обработке аморфного слоя толщиной до 7-15 мкм. Последующий нагрев образцов приводил к возврату обработанного сплава в кристаллическое состояние.
Исследования микроструктуры поперечных шлифов облученных образцов методами оптической и растровой электронной микроскопии показали [15, 19, 33, 35, 87, 88, 91, 93, 94, 97-99,102,103], что воздействие на металлические материалы потоков ВТИП приводит к изменению микроструктуры приповерхностных слоев: образуются модифицированные слои, обладающие пониженной травимостыо на зерно. При этом количество и толщина формирующихся слоев зависят, прежде всего, от параметров ВТИП, в частности удельной мощности Q падающего потока и теплофизических характеристик материала,
24
нию авторов, указывает на рост суммарной запасенной образцом энергии, то есть на адди тивность вклада д от каждого импульса.
Рис. 1.4. Зависимость толщины нетра-вящегося слоя образцов из стали 12Х18Н10Т от числа импульсов воздействия потоками ВТИП [118]
1-----------1------1-----1-----г-IV, имп
1 2 3 4 5
Формирование двух зон модифицированного слоя и переходной области выявлено при обработке образцов из армко-железа и разных сталей (сталь 40, 45, У8А, Р6М5) потоками компрессионной азотной плазмы с удельной мощностью потока в диапазоне (0,6—3)*105 Вт/см2 [94, 98, 119]. При этом металлографическими исследованиями установлено, что для всех изученных образцов характерными особенностями первой (поверхностной) зоны, образованной при закалке из расплавленного состояния, являются однородность и дисперсность. Структура и фазовый состав второй зоны зависят от вида обрабатываемого материала. Далее (в глубь мишени) следует переходная зона, структура которой отличается от исходной включениями фазовых составляющих, характерных для модифицированного слоя.
Исследования тонкой структуры модифицированного слоя методом просвечивающей электронной микроскопии показали (рис. 1.5), что в результате воздействия на металлические материалы потоками ВТИП формируется мелкокристаллическая ячеистая струк-тура [83].
Рис. 1.5. Микроструктура приповерхностного слоя образца из стали Х16Н15МЗБ, облученного потоками импульсной гелиевой плазмы (0 ~ 2-3 МВт/см2, ти~ 2 мке) [83]
*240000
*120000
мыми с помощью плазменного инжектора коаксиального типа, приводила к созданию двухфазной структуры - крупноигольчатого мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита для всех исследованных плазмообразующих газов (азот, гелий, водород) [88]. Отличительной особенностью структуры модифицированного слоя являлось наличие текстуры зерен аустенита с преимущественной ориентацией в направлении <200>.
Результаты проведенных в последние годы рентгеноструктурных исследований и рентгеновского фазового анализа показали [91, 94, 98, 102, 119, 122, 127], что при обработке сталей потоками азотной плазмы в модифицированном слое образуются азотистые мартенсит и аустенит, количество которых зависит от режимов обработки и состава стали, а при определенных условиях - нитрид переменного состава типа е-Рсз*^ (0< х <1). При этом основной структурной составляющей первого (поверхностного) слоя, формирующе-
цах наблюдались участки с микротвсрдостью до 40 ГПа, что вызвано, по-видимому, образованием нитрида титана при взаимодействии плазмы с поверхностью (облучение проводилось в среде азота).
Характер распределения микротвсрдости по глубине мишени зависит от числа импульсов облучения потоками плазмы (рис. 1.6, а) [87]. Так, при однократном воздействии значения микротвердости образцов плавно снижаются по мере удаления от поверхности. Увеличение числа импульсов изменяет характер распределения микротвердости по глубине модифицированного слоя. При этом на зависимости распределения наблюдается максимум, который при возрастании числа импульсов сдвигается вглубь мишени.
Как отмечалось выше (разд. 1.3), в работе [118] при обработке потоками ВТИП образцов из стали Х18Н10Т обнаружено образование четырех зон с различной травимостью, структурой и толщиной. Наличие подобной структурной неоднородности приводит к неравномерному упрочнению приповерхностных слоев мишени по глубине (рис. 1.6, б). Как видно на рис. 1.6, б, величина микротвердости одинакова (НУ = 2600 МПа) в пределах поверхностного нетравящсгося слоя I, затем на расстояниях - 30 и 80 мкм наблюдаются два максимума микротвердости, а на глубинах более 150 мкм НУ монотонно уменьшается до значений микротвердости исходного образца (НУ = 2000 МПа).
НУ, ГПа НУ, МПа
Рис. 1.6. Распределение микротвердости модифицированного армко-железа (а) [87] и стали 12Х18Н10Т (б)[118] по глубине мишени (а: 1 -У= 1;2-АГ=2; 3-#=3;4-#=5)
Необходимо отметить, что авторы [87,118] не дают объяснений наблюдаемым распределениям микротвсрдости по глубине мишени. Подобное распределение микротвердости по глубине обнаружено также при воздействии мощных импульсных ионных [И, 66, 135, 136] и электронных пучков [18, 49, 117, 137, 138], в том числе, низкоэнергетических [18, 49, 117]. При этом максимум микротвердости на расстояниях 10-20 мкм хорошо объясняется тепловым воздействием КПЭ, приводящим к изменению структурнофазового состояния приповерхностных слоев вследствие высокоскоростной закалки. Об-
30
разованис второго максимума микротвердости при облучении металлических материалов мощными импульсными ионными и электронными пучками с плотностью мощности па-дающего потока 0 ~ 10 Вт/см и выше, как правило, связывают с деформационным упрочнением материала под действием возникающих ударных волн [49,66,135-137].
В работах [19, 88] изучалось влияние вида плазмообразующего газа (азот, гелий, водород и их смеси) при облучении потоками импульсной плазмы на структуру и микротвердость различных материалов. Исследовались образцы из сталей 40Х, 45, У8, 12ХНЗА, ШХ15, ХВГ и твердых сплавов ВК8 и ВК20. На рис. 1.7 представлены зависимости изменения микротвердости по глубине образцов из стали У8 [88] и 12ХНЗА [19], обработанных потоками плазмы, полученными с использованием разных плазмообразующих газов.
Как видно на рис. 1.7, а, на кривых распределения наблюдается характерная вогнутость в области, прилегающей к упрочненному слою. Данный эффект, по мнению авторов, связан с повышением температуры в этой области в результате теплоотвода с обрабатываемой поверхности, что приводит к дополнительному отпуску мартенсита. Полученные результаты показали, что характер изменения микротвердости по глубине мишени в результате импульсного плазменного воздействия не зависит от состава плазмообразующего газа. Изменение массы газа в исследованном диапазоне практически не влияет на толщину
Рис. 1.7. Характер изменения мнкротвердости по глубине образцов из стали У8 (а) и 12ХНЗА (б), обработанных потоками плазмы с использованием различных плазмообразующих газов (б: ■- водород-гелий; + - азот; •-водород-азот) [19, 88]
модифицированного слоя, однако, увеличение массы может снизить степень поверхностного упрочнения. Установленное увеличение микротвёрдости образцов в 1,4-4,0 раза (в зависимости от вида материала и режимов обработки) является, по мнению авторов [19], результатом специфичного термического воздействия и лишь частично процесса азотирования поверхности. На повышение микротвёрдости оказывают влияние структурнофазовые изменения, которые происходят вследствие плазменного воздействия. Подтвер-
31
В работе [83] были исследованы механические свойства при испытаниях на растяжение при комнатной температуре образцов из отожженных аустенитных сталей Х16Н15МЗБ и Х18Н10Т, обработанных потоками импульсной водородной, гелиевой и водородно-гелиевой плазмы ((? ~ (2-3) 106 Вт/см2, ти = 2 мке, N = 100). Образцы облучались попеременно через 5-10 импульсов с обеих сторон до набора 50 импульсов воздействия на каждую из сторон. Для обеих сталей установлено одинаковое в пределах погрешности измерений увеличение предела текучести сто.2 (в 1,7—1,8 раза) и кратковременного предела прочности ов (на 10 %) в сравнении с исходными сталями независимо от типа плазмы. Однако, одновременно наблюдалось значительное (в 2,3-2,7 раза) уменьшение относительного удлинения бо образцов данных сталей (рис. 1.8). Обнаруженные изменения механических свойств авторы объясняют возникновением при плазменной обработке в поверхностном слое толщиной до 25 мкм мелкокристаллической ячеистой структуры (см. разд. 1.3). Однако, результаты механических испытаний обработанных потоками ВТИП образцов, утоненных с помощью химического травления, показали, что удаление с поверхности образца слоя толщиной до 20 мкм с каждой стороны при толщине образца 200 мкм практически не влияет на его механические характеристики, приобретенные в результате воздействия потоков плазмы. Это свидетельствует о том, что наблюдаемые изменения механических свойств сталей вызваны не только модифицированием тонкого приповерхностного слоя, но и изменениями, происшедшими в массиве материала.
Следует отметить, что пострадиационный отжиг образцов и последующие механические испытания показали, что эффект, вызванный воздействием потоками импульсной плазмы, довольно устойчив по отношению к термическому отжигу. В частности, отжиг при температуре Т = 1050 °С в течение 10 мин не приводил к полному восстановлению пластичности сталей (рис. 1.8, кривая 3).
Рис. 1.8. Кривые растяжения образцов из стали Х16Н15МЗБ [83]:
1- исходные отожженные образцы;
2- образцы, обработанные потоками ВТИП;
3- образцы, отожженные после облучения
(Г = 1050 °С, 10 мин)
33