Фазово-структурные превращения в сплавах на основе никеля и молибдена при воздействии мощных ионных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

61- <№-1/261-0

Сибирский Физико-Технический Институт им. В.Д. Кузнецова при Томском Государственном Университете

На правах рукописи.

Овчинников Станислав Владимирович

ФАЗОВО-СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И МОЛИБДЕНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ.

01.04.07 - физика твёрдого тела

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор фш.-мат. наук, профессор Коротаев А. Д= доктор физ.-мат. наук, профессор Тюменцев А.Н.

Томск -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.__________4

1. Физическое моделирование процессов и экспериментальные результаты исследования модификации структуры металлов при воздействии высокоинтенсивных импульсных потоков заряженных частиц". (литературный обзор)_10

1.1 Физическое моделирование явлений взаимодействия МИП с металлической мишенью.___13

1.2 Результаты экспериментальных исследований модификации структуры металлических материалов при воздействии мощных ионных пучков._______39

1.3 Электронно-лучевая модификация структуры металлических материалов. ____58

2. Постановка задач. Материалы и методика исследований._72

2.1 Постановка задач диссертации.______72

2.2 Материалы и методика исследований. _82

3. Закономерности фазовой модификации и особенности кратерообразования в поверхностном слое сплавов Мо, Мо-47 вес. % Ие, N1 при воздействии МИП._89

3.1 Анализ динамики процессов нагрева, плавления и газодинамического распыления поверхностных слоев молибдена и никеля в различных условиях облучения,_ 89

3.2 Особенности фазовых превращений в поверхностном слое Мо, сплава Мо-47 % вес. Не и N1 при воздействии мощного ионного пучка._______1 Об

3.3 Феноменология кратерообразования и влияние этого явления на особенности дефектной структуры поверхностных слоев облучённых материалов:__120

3.3.1 Морфология обработанной МИП поверхности_____122

3.3.2 Электронномикроскопическое исследование фазово-струкгурного состояния материала в области

кратеров._133

4. Дефектная структура облучённых МИП сплавов Мо, Мо=47 вес. % Ее, № на различном расстоянии от поверхности воздействия, 154

4.1 Особенности нолей механических напряжений на различжм расстоянии от поверхности воздействия МИП._154

4.2 Особенности модификации дефектной субструктуры поверхностных слоёв молибдена и сплава Мо-47 % вес, Ие при воздействии мощных ионных пучков._165

4.3 Исследование структурной модификации никеля при воздействии мощных ионных пучков._191

ВЫВОДЫ._213

ЛИТЕРАТУРА. 217

Введение.

Развитие новых методов лучевого воздействия на кристаллические материалы с использованием высокоинтенсивных импульсных ионных и электронных пучков существенно расширили возможности исследования в физике твёрдого тела, поскольку уровень и скорость энерговложения с соответст= вующим комплексом тепловых, газодинамических и термомеханических явлений позволяют достигать экстремальных состояний, недоступных традиционным методам обработки металлов и сплавов.

В соответствий с многочисленными результатами математического и физического моделирования [1-5] воздействия мощных ионных пучков (МИН), при таком воздействии температура тонких (Ali < 3 мкм) поверхностных слоев мишени может достигать нескольких тысяч градусов, т.е. возможно плавление и испарение материала поверхности. Скорости нагрева (охлаждения) достигают значений - (109 + 10ш) К/сек, градиенты температуры -1012 К/м. При этом формируются высокие (до нескольких гигопаскалей) динамические и квазистатические термические напряжения.

Соответственно, при этом в облучаемой мишени могут возникать новые, уникальные по степени неравновесности структурно=фазовые состояния, в том числе образование сплавов не смешиваемых ни в твёрдом, ни в жидком состояниях, диссипативные и другие структуры самоорганизации высоконе= равновесных систем (например» новые типы субструктур с высокой кривизной кристаллической решётки, её диспергированием и образованием нано-фазных структур).

Не исключено также, что структурные механизмы фазовых превращений и релаксации нелинейных термомеханических волн напряжений в условиях высокоэнергетического лучевого воздействия окажутся отличными от найденных при традиционных методах обработки.

В этой связи, естественно предполагать появление существенных особенностей механизмов формирования и эволюции дефектных субструктур и фазовых превращений в зависимости от температуры плавления материала и плотности энерговложения ионного пучка, уровня сил межатомной связи и состояния устойчивости кристаллической решётки, подвижности индивидуальных дислокаций и возможности реализации ротационных (дисклинацион= ных) мод деформации.

Очевидно, что для создания научных основ разработки методов прогноза поведения металлических материалов в условиях высокоэнергетического лучевого воздействия и его использования в целях получения перспективных материалов и нетрадиционных способов их обработки необходимо выяснение закономерностей формирования фазово-стр>хгурных состояний в зависимости от указанных выше структурных и физических характеристик материала с одной стороны и параметров ионного пучка - с другой, Вышесказанно© определяет актуальность и высокую научно-техническую значимость исследований процессов взаимодействия высокоинтенсивных пучков заряженных частиц с веществом.

К настоящему времени уже сформировалось несколько направлений практического использования воздействия МШ1 ДЛЯ модификации свойств материалов [6-11]: аморфизации поверхности и, соответственно, для повышения прочности и коррозионной стойкости; очистки - удаление сяо§в, содержащих различные дефекты, загрязняющие поверхность фазы или морфологические неоднородности Поверхности; создание различных рельефных структур и нанесение покрытий; упрочнение поверхности инструмента и другие. Однако до сих пор экспериментальные исследования природы модификации структуры материалов при воздействии МИП были посвящены в основном вопросам, связанным с изменением морфологии поверхности, возможными причинами и механизмами кратерообразоеания, изменением элементного и фазового состава, изменением плотности дислокаций в тонких

(доли микрона) поверхностных слоях. Таким образом, исследовалось изменение поверхностного слоя металлов и сплавов. Имеются лишь единичные работы, в которых исследован характер изменения дефектной (дислокационной) структуры и упрочнения на различных расстояниях от облучённой МЙП поверхности [12,13].

В связи с немногочисленностью отмеченных выше экспериментальных исследований и отсутствием экспериментов на "простых" (модельных) материалах (выбор которых, как правило, обусловлен необходимостью решения какого-либо конкретного аспекта проблемы взаимодействия МИП-мишень) до настоящего времени не удалось выполнить более или менее законченного цикла исследований по указанной проблеме с анализом основных механизмов фазово-структурной модификации вещества и их роли в изменении свойств материалов.

Поэтому целью настоящей диссертационной работы является выявление закономерностей и механизмов структурно-фазовой модификации металлических материалов на различной глубине от поверхности в условиях облучения короткоимпулъсными мощными ионными пучками в зависимости от природы, структурного состояния и свойств мишени и плотности мощности (Q) ионного пучка в интервале Q «(1 -г 10) х 10' Вт/см2. Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Электронномикроскопическое исследование закономерностей фазовых превращений в тонких (Ah ^ 0,2 мкм) поверхностных слоях металлов и сплавов разного класса (Mo, Mo-Re и Ni) в зависимости от плотности мощности ионного пучка.

2, Полная электронномикроскохшческая аттестация дефектной субструктуры указанных выше материалов по всей глубине зоны модификации; выявление её характерных типов в зависимости от природы мишени и условий облучения. Выяснение основных факторов и анализ механи змов структурной релаксации генерируемых МИП механических напряжений.

3. Изучение феноменологии кратерообразования исследуемых материа= лов в процессе облучения МИН. Электронномикроскопическое исследование особенностей модификации фазового состава и дефектной субструктуры внутри и в окрестности кратеров разного размера. Анализ на этой основе возможных механизмов их образования.

Поскольку эффекты воздействия МИГ1 определяются условиями высо* коскоростного нагрева и охлаждения облучаемой мишени, были выполнены компьютерное моделирование и расчёт динамики температурного поля при различных режимах указанного воздействия.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и выводов.

В первой главе диссертационной работы проведён обзор литературы по результатам физического и математического моделирования процессов, сопутствующих воздействию концентрированных потоков энергии (МИП, СЭП) на металлическую мишень и критический анализ результатов экспериментальных исследований модификации структуры реальных металлов при воздействии МИП и низкоэнергетических сильноточных электронных пучков ШСЭШ.

V /

Во второй главе на основе анализа современного состояния проблемы модификации металлических материалов воздействием МЙП5 сформулированы наиболее перспективные с нашей точки зрения направления исследований по данной проблеме» и на этой основе осуществлена постановка конкретных задач настоящей работы. В заключительном параграфе главы обоснован выбор материалов исследования, способов и режимов их обработки, дано описание методики экспериментальных исследований.

В третьей главе "Закономерности фазовой модификации и особенности кратерообразования в поверхностном слое сплавов Мо, Мо- 47 вес. % Не, № при воздействии МИП" во-первых, для анализа условий структурно-фазовых превращений в поверхностном слое и на расстоянии от поверхности приводятся полученные численными методами оценки величины и динамики тем-

пературного поля в Мо и Ni при воздействии МИП с различной плотностью мощности вложенной энергии; во-вторых, излагаются результаты электрон-номикроскопического исследования особенностей фазового состава поверхности в зависимости от природы мишени и плотности мощности ионного пучка, а также проводится анализ возможных механизмов газонасыщения последней при взаимодействии с остаточными газами рабочего вакуума им= плантера. Вместе с тем, в данной главе представлены результаты исследования морфологии, структурно=фазового состояния поверхностного слоя в об= ластях кратерообразования, механизмы образования и роль которых в сгрук-турно=фазовой модификации поверхности остаются невыясненными в полной мере до настоящего времени.

В четвёртой главе "Дефектная структура облучённых МИП сплавов Мо. Мо- 47 вес. % Re. Ni на различном расстоянии от поверхности воздействия" представлены результаты послойного электронномикроскопического исследования модификации поверхностного и подповерхностного слоев Мо, сплава Mo-Re и Ni при воздействии МИП в различных режимах. При этом установлены как глубина зоны модификации, так и характерные типы дефектных субетруктур в зависимости от природы мишени и плотности мощности ионного пучка; Проведён анализ температурных и механических условий образования указанных субструктур.

На основе проведённых исследований на защиту выносится:

1. Одним из наиболее важных факторов модификации фазового состояния поверхности металлов и сплавов при облучении МИП является формирование в зависимости от режимов облучения и природы мишени аморфных, надакристалличееких и дисперсных вторичных фаз внедрения в результате взаимодействия с элементами газовой среды рабочего вакуума ускорителя.

2. В условиях генерируемых МИП высоких динамических напряжений реализуются коллективные, в том числе ротационные, дислокационно-

дисклинационные механизмы их релаксации с формированием характерных дефектных еубструктур, обнаруженных при деформации высокопрочных материалов,

3. Закономерности и механизмы реализации коллективных мод диссипации механической энергии МИП в зависимости от природы мишени (механические и теплофизические свойства, энергия дефекта упаковки) и режимов облучения.

4. Явление качественного изменения структурного состояния поверх» ностного слоя мишени в зонах кратерообразования с формированием в них аморфных и нанокристаллических плёнок фаз внедрения, высокоэнергетиче» ских дислокационно-дисклинационных еубструктур, микродвойников и элементов фрагаентированной стр>тстуры, как следствия активизации коллективных (ротационных) механизмов релаксации высоких неоднородных напряжений и их градиентов (моментов).

1. Физическое моделирование процессов и экспериментальные результаты исследования модификации структуры металлов при воздействии высокоинтенсивных импульсных потоков заряженных частиц (литературный обзор).

Введение.

За последнее десятилетие изучение взаимодействия концентрированных потоков энергии, в частности мощных ионных пучков (МИП), с металлами позволило в немалой степени "продвинуться" как в понимании физики явлений сгауктурно-фазовой модификации материалов в условиях высокоинтенсивных воздействий, так и в создании материалов с повышенными конструкционными, трибологическими и функциональными свойствами.

Вместе с тем, целостного теоретического описания природы и механизмов формирования структуры и свойств облучённых металлов еще нет, что связано, очевидно, с многообразием и сложностью процессов, отражающих взаимодействие МИП с мишенью. Так уже в первых работах (например в [1,14]) отмечаются следующие процессы, развивающиеся при облучении металлической мишени мощным ионным пучком наносекундной длительности: 1) Быстрый нагрев поверхности (скорость нагрева 1010'К/с) до темпе-

А

ратур ~ (10л -г 10') К (к окончанию импульса)« 2) Сублимация легколетучих твёрдых и испарение жидких веществ. 3) Генерация термоупругих волн напряжений. 4) Плавление тонкого поверхностного слоя, сопровождающееся снижением напряжений и формированием заднего фронта термоупругой волны. 5) Дальнейший нагрев расплавленной части мишени. 6) Распространение волны термонапряжений вглубь материала мишени, 7) Формирование волны напряжений, обусловленной импульсом отдачи испаряющегося вещества мишени. 8) Охлаждение нагретого поверхностного слоя с высокими око-ростями 1(Г к/сек) и конденсация элементов пароплазменного облака на модифицированной поверхности.

Указывая совоку пность приведённых выше процессов, необходимо отметить, что особая сложность для адекватного описания их влияния на модификацию структуры заключается в высокоскоростном характере протекания.

В тоже время, как отмечается в [15], существенное влияние на физическое состояние облучённых образцов могут иметь и некоторые детали технологии самого процесса облучения: глубина вакуума в рабочей камере им-плантера, наличие микрочастиц катода в ионном пучке и т.д. Следует также

отметить, что многие из сопровождающих МИП процессов трудноконтроли-руемы и принимаются ВО внимание только при качественном рассмотрении явления.

Высокая неравновесность представленных выше процессов взаимодействия излучения с веществом, возможность формирования при этом новых структурных состояний, а также важное прикладное значение рассматриваемого явления модификации металлов воздействием МИП явилось причиной пристального интереса исследователей к нему. При этом решались следующие задачи.

Прежде всего, выяснение основных процессов и сопутствующих явлений взаимодействия интенсивных пучков заряженных частиц с твёрдым телом, построение физических и математических моделей такого взаимодействия. В силу нелинейности и широкого разнообразия указанных процессов, осложнённых, в частности; формированием пароплазменного облака при вскипании и испарении поверхностного слоя мишени, задача полного выяснения и описания процессов взаимодействия высокоинтенсивных пучков заряженных частиц с веществом до сих пор не решена.

Вместе с тем, известно, что определяющим при таком воздействии яв= ляется интенсивный разогрев облучённого материала с возможным, в зависимости от удельной мощности пучка, плавлением, активационным или газодинамическим испарением поверхностного слоя с последующим высокоско-

ростным охлаждением за счёт отвода тепла в более глубокие слои обрабатываемой мишени. Таким образом, одной из важнейших задач при решении проблемы воздействия МИП является выяснение конфигурации и динамики тепловых полей для конкретных материалов мишеней в зависимости от удельной мощности, её временного и пространственного распределения при диссипации энергии �