Генерация мощных ионных пучкой в диодах с самоизоляцией и применение этих пучков для модификации поверхности материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РГБ ОД

РОССИИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

! дИГ 2000

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи ХАРЛОВ АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ В ДИОДАХ С САМОИЗОЛЯЦИЕЙ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭТИХ ПУЧКОВ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

01.04.13 - электрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2000

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН, Гор. Томск

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Быстрицкий В.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Усов Ю.П. (Томский политехнический университет)

доктор физико-математических наук В.П. Ротштейн (Томский педагогический университет)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

ядерной физики при Томском политехническом университете.

Защита состоится «_» июля 2000 г. в _ час.

на заседании диссертационного совета Д. 003.41.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН ( 634055, гор. Томск, пр. Академический, 4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан «_» июня 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор физико-математически: наук, профессор

скуровский Д.И.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Перспективность использования мощных импульсных ионных пучков ( МИП) для различных технологических целей и изучения новых физических явлений, происходящих при взаимодействии МИП с конденсированными средами, обусловливает необходимость развития методов генерации и фокусировки МИП. Взаимодействие МИП с твёрдым телом и процесс модификации поверхности при облучении ионным пучком также находится в стадии интенсивного теоретического и экспериментального изучения. Актуальность указанных тем несомненна.

Целью настоящей работы является получение мощных ионных пучков с энергией до 2 МэВ и их фокусировка до плотности тока более 10 кА/см2, а также исследование модификации поверхности металлов под действием МИП, генерируемого в микросекундном плазменном прерывателе тока (МППТ).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Создание наносекундного ускорителя "ПАРУС" с импедансом 2,8 Ом и номинальной мощностью 2x10й Вт.

2. Исследование генерации и баллистической фокусировки МИП в различных схемах диодов с самоизоляцией.

3. Исследование однородности генерации ионных потоков в МППТ.

4. Исследование изменений микротвёрдости, коррозионной стойкости, усталостной прочности металлов и сплавов, обработанных ионным пучком, генерируемым в МППТ.

Научная иовизна работы состоит в следующем: Впервые исследована работа сферического диода с магнитной самоизоляцией с пассивным анодом при применении плазменного прерывателя тока для обострения мощности на наносе кун дном ускорителе. Показано, что в отличие от магнитно-изолированного диода с внешним магнитным полем, генерация МИП происходит на фронте импульса и задержка генерации МИП относительно начала импульса мала.

Впервые исследована генерация и фокусировка МИП в плазмонаполненном диоде сферической геометрии, который работает в цепи с индуктивным накопителем в режиме плазменного прерывателя тока.

Впервые исследована модификация поверхности металлов под действием МИП, генерируемого в микросекундном плазменном

л

.5

прерывателе тока. Показано, что такая методика обладает рядом преимуществ перед развитой ранее технологией модификации, где МИП генерируется в стандартных ионных диодах.

Практическая значимость работы определяется тем, что её результаты могут быть использованы при проектировании схем ионных диодов. Полученные данные по модификации могут быть использованы для создания материалов с улучшенными свойствами поверхности ( микротвёрдость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и т.д.).

Положения , выносимые на защиту:

1. Отсутствие внешнего магнитного поля в ионных диодах с самоизоляцией электронного потока обеспечивает образование плазмы на диэлектрическом аноде на фронте импульса напряжения и малую задержку генерации МИП относительно начала импульса. Показано что, однородность ионного тока в инверсной модификации сферического диода выше, чем в прямой. В инверсном диоде получена плотность тока в фокусе 15 кА/см2 при плотности мощности 2x1010 Вт/см2.

2. Продемонстрирована возможность работы плазмонаполненного диода сферической геометрии в цепи с индуктивным накопителем в режиме плазменного прерывателя тока с обострением мощности и фокусировкой ионного потока. На наносекундном ускорителе ПАРУС получено увеличение мощности, выделяемой в плазмонаполненном диоде, в 2,5 раза по сравнению с идеально согласованной нагрузкой. Получена плотность мощности ионного пучка в фокусе на уровне 3,5x1010 Вт /см2. Показано, что экспериментальные данные согласуются с численными расчётами по плазмоэрозионной модели Оттингера-Голдстейна.

3. Предложено использовать ионный поток, генерируемый в МППТ, для модификации поверхности материалов и показан ряд преимуществ по сравнению с традиционными ионными диодами.

4. Показано, что в микросекундном плазменном прерывателе существует азимутальная неоднородность ионного потока, которая увеличивается по направлению от начала прерывателя к дальней от генератора границе плазмы.

5. При облучении алюминиевых сплавов ионным пучком с энергией 200 КэВ и плотностью тока 80-100 А/см2, генерируемым в МППТ, достигается увеличение коррозионной стойкости примерно на порядок и увеличение усталостной долговечности в коррозионной среде.

При облучении различных видов сталей ионным пучком с энергией 0,8-1 МэВ и плотностью тока 40-80 А/см2, генерируемым в МППТ, достигается увеличение микротвёрдости в 2-2,5 раза на глубину в сотни мкм.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7, 8, Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике ( 1988 - Новосибирск, 1990 - Екатеринбург); на Международном совещании по физике и технике мощных прерывателей тока ( Новосибирск, 1989); на Зсм Всесоюзном семинаре по плазменной электронике ( 1988, Харьков); на 50М Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков ( 1991, Киев); на 8, 9, 10, 11, 12 Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц ( 1990 - Новосибирск; 1992 - Washington, DC, USA; 1994 - San-Diego, CA, USA; 1996 - Прага, Чехия; 1998 - Haifa, Israel.); на 4ой Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц ( 1996, Томск); на 11, 12 Международных конференциях по импульсной технике ( 1997, Baltimore, MA, USA; 1999, Monterey, CA, USA); 25, Международной конференции по физике плазмы ( ICOPS - 97, San Diego, CA, USA).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей в центральных и зарубежных журналах ( ПТЭ, ЖТФ, Laser and Particle Beams, Material Science and Engineering, Nuclear Instruments and Methods, Theoretical and Applied Fracture Mechanics) и ряд докладов в материалах конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 44 рисунка, 14 таблиц и список литературы на 10 с.

Содержание диссертации

Во введении показана актуальность направления исследований, определена цель работы и сформулированы защищаемые положения.

В первой главе дан краткий литературный обзор методов генерации МИП и их сравнительный анализ. На основе этого анализа сделан вывод, что диоды с самоизоляцией сферической геометрии без линчевания электронного потока перспективны для генерации и фокусировки МИП на наносекундных ускорителях, особенно в схемах с применением ППТ для обострения мощности. К началу выполнения настоящей работы имелись данные только по коаксиальным МИД такого типа. Отмечено, что одним из новых интересных направлений является

генерация МИП в ППТ, который в стадии обрыва представляет собой именно МИД с самоизоляцией. Указана перспективность исследований по модификации поверхности материалов в МППТ, которые ранее не проводились.

Во второй главе приведено описание экспериментальной техники и диагностики МИП.

В разделе 2.1 дано описание наносекундного ускорителя "ПАРУС" (иа= 0.8 МВ, р =2.8 Ом, т = 60 не), который был сконструирован для проведения экспериментов по генерации и фокусировке мощных ионных пучков ( начало экспериментов в 1988 г.). Общая схема ускорителя приведена на рис. 1. Основными элементами схемы являются : генератор импульсных напряжений ГИН-33, коаксиальные линии с водяной изоляцией и коммутаторы. В этом разделе дано описание элементов ускорителя и их конструктивных особенностей. Здесь также приведены расчёты электрической прочности, процессов зарядки и коммутации линий и потерь энергии в разрядниках. Приведены сравнения экспериментальных и расчётных значений.

В разделе 2.2 дано описание экспериментальной техники, используемой в работах по применению МИП, генерируемого в МППТ для модификации поверхности материалов. Схема эксперимента .приведена на рис. 2. Основными элементами схемы являются первичный накопитель энергии, индуктивный накопитель в виде вакуумной коаксиальной линии и ППТ. Основные параметры используемых ускорителей приведены в таблице 1.

Таблица 1 Основные параметры ускорителей МАРИНА и АЯРА1 (при напряжении зарядки 40 КВ)

Ускоритель Ёмкость, мкФ Запасаемая энергия, кДж напряжение при размыкании, кВ Ток в контуре, кА

МАРИНА 0,4 (в ударе) 16 1000-1500 190-220

АИРА! 3,3 2,7 200-300 120-150

В разделе 2.3 дано описание комплекса диагностических средств, использовавшихся в экспериментах. Описаны методы измерения токов и напряжений, электрофизические, ядерно-физические средства диагностики МИП и акустический датчик для диагностики высоких плотностей тока МИП ( более 1 кА/см2).

Рис. 1. Схема ускорителя 'ПАРУС'. 1 - промежуточный накопитель, 2 -ГИН-33, 3 - газовый разрядник, 4 - формирующая линия, 5 - водяной разрядник, 6 - передающая линия, 7 - предимпульсный разрядник, 8 -конический изолятор, 9 - вакуумный диод, 10 - пояса Роговского, 11 -емкостные делители напряжения.

Рис. 2 Схема эксперимента по применению МИП, генерируемого в микросекундном плазменном прерывателе тока, для модификации поверхности материалов. В схеме обозначены: 1 - первичный накопитель энергии, 2 - газовый разрядник, 3 - разделительный изолятор, 4, 8, 11 -пояса Роговского или токовые петли, 5 - катод, 6 - анод, 7 - плазменные пушки, 9 средства диагностики МИП, 10 - катодные щели, 12 - емкостной делитель напряжения, 13 - источник питания плазменных пушек.

"7

/

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по генерации и фокусировке МИП в диодах с самоизоляцией сферической геометрии с пассивным анодом и в плазмонаполненном диоде, а также по генерации МИП в микросекундном плазменном прерывателе тока.

В разделе 3.1 приведены результаты исследований по генерации и фокусировке МИП в диодах с пассивным анодом ( перфорированный полиэтилен) на ускорителе ПАРУС. Исследованы два типа диодов сферической геометрии: со сходящимся электронным потоком и инверсный диод. Схемы диодов приведены на рис. 3 а, б. Площадь анода составляла 270 см2, радиус анода 90 мм, анод-катодный зазор менялся в пределах 8-12 мм. Катод сферической формы был сделан из тонких пластинок нержавеющей стали ( типа "жалюзи") с средним расстоянием между пластинками 4 мм, что обеспечивало геометрическую прозрачность катода 70%. Диод, представленный на рис. 3, а, работал в режиме, близком к согласованному, с напряжением на диоде около 800 кВ и полным током диода 230 кА, длительность импульса на полувысоте составляла 60 не. Измерения показали, что для диода со сходящимся электронным потоком плотность тока МИП увеличивается примерно в 22,5 раза ( от 80 до 200 А/см2) при переходе от экваториальной плоскости к полюсу диода, что объясняется сходимостью электронного потока и увеличением электронных потерь в направлении дрейфа. Максимальная плотность тока в фокусе составила для этой геометрии 10 кА/см2. В экспериментах с инверсным диодом использовался ППТ для обострения мощности. В инверсной геометрии плотность тока МИП по полярному углу практически была постоянной, на уровне 150 А/см2, что соответствует полному току ионного пучка 45 кА. Постоянство плотности тока МИП по полярному углу в инверсном диоде качественно объясняется расходимостью электронного потока по ходу дрейфа и, соответственно, более равномерным распределением электронных потерь по площади анода. Азимутальная однородность МИП также была существенно улучшена в инверсной геометрии, что объясняется отсутствием развития неустойчивостей, свойственных пинчующемуся электронному пучку. Достигнута эффективность генерации МИП 20-25% при плотности тока в фокусе около 15 кА/см2. Напряжение на диоде и мощность МИП были увеличены примерно в два раза при применении ППТ. Несмотря на короткую длительность импульса в схеме с ППТ ( около 20 не на полувысоте), генерация ионов начиналась на переднем фронте импульса, что свидетельствует об эффективном образовании анодной плазмы.

Рис. 3, а Схема сферического диода с самоизоляцией. Здесь обозначены: 1 - калориметр, 2 - активный делитель напряжения, 3, 4, 8 - пояса Роговского, 5 - петля индуктивной коррекции, 6 - анод, 7 - катод, 9 -электронный диод, 10 - откачка.

Рис. 3, б Схема инверсного диода с ППТ. Здесь 1,8- активные делители напряжения, 2 - анод, 3, 7, 9 - пояса Роговского, 4 - источник плазмы, 5 -анод ППТ в виде «беличьего колеса», 10 - развязывающая индуктивность для вывода сигналов.

В разделе 3,2 рассмотрена генерация и фокусировка МИП в плазмонаполненном сферическом диоде инверсной геометрии (рис. 4) на ускорителе ПАРУС. Диод был включён в цепь с индуктивностью

Ь ~ ЯГТГ (Ь - индуктивность цепи, Яг - сопротивление генератора, Тг - длительность импульса напряжения), и работал в режиме плазменного прерывателя тока с обострением мощности. Радиус катода составлял 40 мм, радиус анода менялся в пределах 50-70 мм. Геометрическая прозрачность обоих электродов составляла около 50% (сетка отверстий диаметром 2 мм). Плазма инжектировалась в диод со стороны анода с помощью 16 плазменных пушек. Индуктивность цепи до диода составляла около 100 нГн. С помощью зондовых измерений было определено, что плотность плазмы и её потоковая скорость составляют 2x1014 см'3 и 5х106 см/с соответственно при зарядном напряжении на пушках 30 кВ. Индуктивность цепи позволяла накапливать в контуре до диода ток до 300 кА, оптимальное размыкание наблюдалось при токе 250260 кА. Время задержки между началом генерации плазмы и срабатыванием ускорителя при этом составляло около 2 мкс. Напряжение на диоде менялось в диапазоне 2-2,4 МВ (при одинаковых зарядных параметрах), мощность, выделяемая в диоде, достигала 0,5 ТВт, что соответствует повышению мощности в 2,5 раза по сравнению с идеально согласованной нагрузкой (рис. 5). . Экспериментально было определено, что оптимальный анод-катодный зазор составляет 15 мм. При меньшем зазоре ухудшались характеристики размыкания, при большем зазоре ухудшалась фокусировка ионного пучка. С помощью коллимированных цилиндров Фарадея (КЦФ) было получено, что плотность ионного тока за катодом _)'„ а 500 А/см2. Калориметрические измерения полной энергии ионного пучка оказались затруднёнными вследствие высокой плотности тока МИП и , как следствие этого, уноса материала с поверхности калориметра. Для подавления этого эффекта осуществлялось ослабление МИП набором сеток. Таким образом была оценена нижняя граница энергии МИП, проходящего в катодную полость, на уровне 1 кДж. С учётом геометрической прозрачности катода это соответствует энергосодержанию МИП > 2 кДж, что удовлетворительно согласуется с измерениями КЦФ. Энергия ионного пучка, прошедшего через отверстие диаметром 1 см в центре фокальной плоскости, измеренная калориметром, выполненным в форме стакана, составила около 500 Дж, что соответствует плотности ионного тока более 15 кА/см2. С помощью активационной диагностики по реакции 12С(р, у)13 И(Р+) было получено, что плотность тока протонов в фокусе с энергией выше 450 кэВ составляет около 6 кА/см2, т.е. доля протонов в пучке около 40%.

Было проведено численное моделирование работы плазмонаполненного диода с использованием плазмоэрозионной модели Оттингера. При этом использовались экспериментально измеренные скорость плазмы и двухкомпонентный состав плазмы ( С'2, ЬГ). Расчёты показали хорошее согласие с экспериментом.

Рис. 4 Схема плазмонаполненного диода. 1 - анод, 2 - катод, 3 -плазменные пушки, 4 - диагностика МИП, 5 - развязывающая индуктивность для вывода сигналов с высоковольтного электрода, 6 -активный делитель напряжения.

1 < - ЗИП Л£_____________________ ___

Рис. 5 Характеристики плазмонаполненного диода в оптимальном режиме. Слева - напряжение и полный ток, справа - мощность, выделяемая в диоде (кривая 1) , по сравнению с мощностью на идеально согласованной нагрузке (кривая 2).

50 II» № 20

В разделе 3.3 приведены результаты исследований генерации МИП в микросекундном плазменном прерывателе тока на ускорителях МАРИНА и ARPA1. Эффективность генерации МИП составила для них 35-40 и 25-30% соответственно Приведены аксиальное распределение плотности тока МИП в МППТ и азимутальная неоднородность МИП. Доля протонного тока увеличивается по ходу дрейфа плазмы. При исследовании азимутальной однородности МИП на установке МАРИНА использовалась активационная диагностика. В нескольких аксиальных позициях за катодными прорезями располагались по восемь одинаковых графитовых пластинок ( в одном выстреле). Разброс активационных показаний в разных позициях по азимуту существенно увеличивался по ходу дрейфа плазмы (от 12 до 60% от начала к концу ППТ). Анализ отпечатков на пластиковых пластинах и металлических образцах также свидетельствует об увеличении азимутальной неоднородности к концу ППТ. Ранее было показано , что расходимость МИП также увеличивается ог начала к концу ППТ. Оба этих явления связаны, по-видимому, с развитием неустойчивостей двойного слоя. Исходя из этих причин, для целей модификации поверхности предпочтительно использовать первую половину длины ППТ.

В главе 4 приведены результаты исследований по применению МИП, генерируемого в МППТ, для модификации поверхности материалов.

В разделе 4.1 рассмотрены физические основы модификации поверхности ионным пучком. Выделен ряд преимуществ технологии с применением МППТ по сравнению с использованием стандартных схем ионных диодов. Основными из них являются высокая эффективность генерации МИП в МППТ, простота и надёжность в использовании, возможность обработки поверхностей большой площади, очистка и первоначальная подготовка поверхности для модификации плазмой МППТ, возможность обработки детали усложнённой формы.

В разделе 4.2 приведены результаты численного моделирования взаимодействия МИП с металлами. Численные расчёты производились с использованием программы BETAIN (Яловец и др., 1992). Это одномерная модель, которая применима для моделирования взаимодействия мощных электронных и ионных пучков с плоской поверхностью твёрдого тела. Для описания поведения материала используется упруго-пластическая модель. При добавлении широкодиапазонных уравнений состояния это позволяет описание как в зоне вложения энергии, так и за её пределами. С помощью расчётов по данной модели были получены следующие характеристики процесса

взаимодействия пучка с твёрдым телом: распределение потерь энергии по глубине, поля температуры и давления в мишени в зависимости от времени и координаты.

В разделе 4.3 приведены результаты экспериментальных исследований модификации поверхности металлов ионным пучком, генерируемым в МППТ. Металлографические исследования показали, что порог образования микрократеров лежит на уровне 30-40 А/см" для всех исследованных сталей и алюминиевых сплавов в диапазоне энергий ионов 0,2-1 МэВ. В экспериментах обнаружено, что нагрев образцов до 200-250 °С непосредственно перед облучением в вакууме существенно снижает количество мпкрократеров, образующихся на поверхности образца при плотностях тока, недостаточных для общего плавления образца. Это свидетельствует о значительном вкладе легкоплавких включений в процесс образования микрократеров. Показано, что при облучении ряда нержавеющих и углеродистых сталей ионным пучком с энергией 0,8 МэВ и длительностью импульса 50 не происходит значительное увеличение микротвёрдости. Глубина упрочнения составляет сотни мкм (рис. 6), что более чем на порядок превышает зону теплового воздействия. Все алюминиевые сплавы подвержены коррозии при воздействии на них хлорсодержащих растворов и паров ( например, морская вода содержит около 2,6% №С1). Было исследовано влияние облучения МИП ( 0,25 МэВ, 50 не.) на коррозионную стойкость и усталостную долговечность алюминиевых сплавов А12024 (4,4 Си, 0,6 Мп, 1,5 М§) и А17075(1.6 Си. 2,5 0,23 С г, 5,6 Zn). Коррозионные измерения проводились двумя способами : измерением потер» веса в хлорсодержащих растворах растворе для облучённых и контрольных образцов и проведением электрохимических измерений. Потеря веса для облучённых образцов была в 2-3 раза ниже, чем для необлучённых. Из снятых анодных поляризационных кривых (рис. 7) было получено, что при оптимальных параметрах облучения анодная плотность тока примерно на порядок ниже, чем для необлучённых образцов. Известно, что усталость материала является определяющим типом разрушения для алюминиевых структур. Установленным фактом также является сильная зависимость усталостной прочности от состояния поверхности Даже небольшие поверхностные дефекты вызывают значительное снижение усталостной прочности. Облучение ионным пучком значительно изменяет состояние поверхности, поэтому изучение усталостной прочности при циклических нагрузках для облучённых образцов является необходимым.

7 6 5 4 3 2

О 100 200 300 400 500 600

Рисунок 6 Изменение микротвёрдости стали 17-4РН по глубине после облучения ионным пучком с энергией 0,8 МэВ, длительностью импульса 50 не и плотностью тока 80 А/см2, число выстрелов равно пяти.

ю

5 Ш'

Е = -0.76 В

«орр

2

« ю"

е

10"

1=10'

!0'„

-0,8

/ / .

—А17075 необлучённый —250 КэВ, 60 А/см2 —250 КэВ, 100 А/см2

-0,7 -0,6 -0,5

Потенциал, В

-0,4

Рисунок 7. Анодные поляризационные кривые для сплава А17075, облучённого при разных плотностях тока.

Перед измерениями усталостных характеристик проводились измерения предела прочности и предела текучести при растяжении. Было получено, что для всех исследованных сплавов влиянием облучения на характеристики растяжения можно пренебречь. Это понятно, поскольку прочность при растяжении является объёмным свойством, а толщина модифицированного слоя не превышает нескольких микрон. Это также свидетельствует о том, что уровень остаточных напряжений намного меньше предел упругости.

Измерения усталостной прочности в воздухе Для сплава 2024 усталостная долговечность образцов, облучённых при плотности тока 80 и 100 А/см2, была на 30-40% выше, чем для необлучённых, в диапазоне больших механических напряжений ( между 340 и 410 Мпа). Для сплава 7075 полученные cj-N кривые были практически одинаковы для контрольных образцов и образцов, облучённых при плотности тока 60 -ЮОА/см2 при измерениях в воздухе. Для обоих сплавов проводились электрохимические измерения после различного числа циклов нагружения при разных уровнях напряжений. Как необлучённые, так и облучённые образцы проявляют значительное ухудшение коррозионных свойств при увеличении числа циклов изгибного нагружения в диапазоне 4x105 - 106, но при этом отношение анодной плотности тока для облучённых образцов к соответствующей величине для необлучённых меняется слабо между 0,13 и 0,16.

Измерения усталостной прочности в 2,5% водном растворе NaCl

На рис. 8 показаны кривые усталостной долговечности ст-N для А17075-Т6 и 2024-ТЗ в 2,5% водном растворе NaCl. При всех механических напряжениях для А17075-Т6 долговечность облучённых образцов примерно в два раза выше по сравнению с необлучёнными. Значение предела изгибной усталостной выносливости ( на 107 циклах) для облучённых образцов сплава 7075 примерно в полтора раза выше, чем для необлучённых ( 135 и 87 МПа соответственно). Для сплава 2024 эффект обработки ионным пучком в МППТ не оказывает ярко выраженного эффекта на усталостные свойства в коррозионной среде.. Поведение a-N кривых для сплава 2024 качественно похоже в воздухе и в коррозионной среде: при высоком уровне напряжений ( выше 340 и 240 МПа для воздуха и раствора NaCl соответственно) долговечность для облучённых образцов на 30-40% выше, чем для необлучённых. Предел изгибной усталостной выносливости в 2,5% водном растворе NaCl для сплава 2024 составляет 113 и 103 МПа для облучённых и необлучённых образцов соответственно.

Число циклов до разрушения

350

я С

и 5 В

и *

к

а с га х

300

250

200

я 150

2 5

О *

га 2

100

50

104

10' 10° 10 Число циклов до разрушения

Рисунок 8 Кривые усталостной долговечности с-Ы для А17075-Т6 ( вверху) и А2024-ТЗ (внизу) в 2,5% водном растворе ЫаС1.

Перемешивание титановых плёнок с алюминиевыми сплавами.

Легирование поверхностных слоёв изделий с помощью перемешивания тонкоплёночных покрытий из легирующих элементов под действием пучков заряженных частиц или лазерного излучения с поверхностным слоем изделия является перспективным технологическим процессом, разрабатываемом в настоящее время. Одной из основных задач такого процесса является повышение коррозионных и адгезионных свойств покрытия. Типичной причиной для неудовлетворительной адгезии является наличие резкой границы без переходного слоя между плёнкой и основой, что характерно для всех традиционных методов напыления.

В наших экспериментах исследовалось перемешивание плёнки из титана с алюминиевым сплавом А16061 под воздействием МИП, генерируемого в МППТ. Для оценки плотности тока, необходимой для эффективного плавления и перемешивания, проводились численные расчёты фазовых переходов в системе плёнка-подложка по программе BETAIN. Расчёты показывают, что предпочтительно использовать плотности тока в диапазоне 130-160 А/см2. При меньших плотностях тока мала толщина расплавленного слоя, а при больших значительная его часть испаряется. Расчётная толщина жидкого слоя достигает максимума б « 1,1 мкм при плотности тока 150 А/см2

В экспериментах лучшие результаты по перемешиванию были получены при энергии ионов 250 КэВ ( верхняя граница спектра) и плотности тока 130-140 А/см2. Все образцы облучались четырьмя выстрелами для устранения возможного влияния неоднородности пучка. Микротвёрдость образцов с напылением уменьшалась после обработки на 6% . Учитывая, что микротвёрдость сплава 6061-Т6 ниже на 35% и она не меняется в результате облучения, можно заключить, что существенного уноса титанового слоя в процессе облучения не происходит. Оценочные коррозионные испытания были проведены путём помещения образцов в 1% водный раствор соляной кислоты. После 24 часов титановый слой на необлучённом образце был полностью удалён и визуально наблюдались сильные следы коррозии на поверхности алюминия. Для облучённых образцов в таких же условиях изменений не наблюдалось.

Распределение концентраций элементов по глубине измерялось методом Оже-спектроскопии. Было получено, что значимое перемешивание ( содержание Ti не менее 10% ) происходит до глубины 1,2-1,3 мкм, что находится в хорошем согласии с численными расчётами. Максимальное содержание Ti около 36% находится на глубине 600 нм. Общее содержание титана в облучённом образце, полученное из Оже-профиля, составляет около 80%. Унос Ti (20%) почти соответствует

толщине испарённого слоя, полученного из численных расчётов ( 80 нм при j= 130 А/см2.

Исследование влияния облучения МИП на коррозионную стойкость хромированного сплава А17075.

Для повышения коррозионной стойкости и улучшения адгезии алюминиевых сплавов широко используются так называемые конвертированные хромированные покрытия, получаемые путём удаления оксидной плёнки на поверхности алюминия и заменой её на покрытие из оксида хрома. Это достигается при контакте поверхности алюминия с водным раствором, содержащим Сг(ОН)3 с небольшой добавкой А1203. В настоящей работе впервые представлены результаты по изучению коррозионных свойств алюминиевого сплава 7075-Т6 при комбинации облучения МИП, генерируемого в МППТ, с обычным процессом конверсионного хромирования ( облучение до хромирования). Исследования поверхности показали, что хромированный слой на необлучённых образцах имеет зернистую структуру со средним размером зерна 5 мкм, а на облучённых образцах при таком увеличении зернистость не проявлялась. Из исследования поляризационных кривых было получено несколько факторов улучшения коррозионных свойств: 1. Коррозионный ток 1КОрр, полученный экстраполяцией катодной ветви, существенно ниже для облучённых образцов, чем для необлучённых ( 0,25 и 1,3 мкА/см2 соответственно). 2. Коррозионный потенциал Екорр имеет положительный сдвиг около 60 мВ. 3. При больших потенциалах ( выше чем -0,56 В) для необлучённых образцов появляется вторая область резкого роста тока и при потенциале -0,4 В плотность тока для облучённых образцов примерно в 30 раз ниже, чем для необлучённых.

Была исследована динамика развития каверн и трещин при циклической изгибной нагрузке для образцов хромированного А17075, погружённых в 2,5% водный раствор №С1. Сканирующая микроскопия и электрохимические измерения производились после 0,2,4,6x105 циклов изгибной нагрузки при а= 200 МПа для облучённых и необлучённых образцов. Для необлучённых образцов хромированного А17075 образование каверн наблюдалось даже после 2x105 циклов, небольшое увеличение их числа происходило при 4x105 циклах и резкое увеличение плотности каверн происходило при 6x105 циклах изгибной нагрузки. Для облучённых образцов не наблюдалось образования каверн при 2x103 и 4x105 циклах и небольшое их количество появлялось при 6x105 циклах изгибной нагрузки. Для необлучённых образцов как катодная, так и анодная ветви поляризационных кривых после 6x105 циклов изгибной нагрузки при 200 МПа обнаруживают значительное увеличение плотности тока по сравнению с образцами без нагрузки. Для облучённых

образцов катодная ветвь и, соответственно коррозионный ток 1корр практически не меняются при таком количестве циклов. Плотность тока на анодной ветви увеличивается и для облучённых образцов, но всё же остаётся намного меньше, чем для необлучённых. В таблице 2 приведена сводка данных электрохимических измерений.

Таблица 2 Значения коррозионного тока

■корр

и тока при

Число циклов при 200 МПа 1корр, мкА/см2 I при -0,5 в, мА/см"

0 0,25/1,3 1,2/6

2x103 0,25/1,6 2/20

4x10* 0,27/1,9 4,17/22

6x105 0,3/3 6,44/22,2

Основные результаты и выводы

1. Для экспериментов по генерации МИП спроектирован и запущен в эксплуатацию наносекундный ускоритель ПАРУС. Автор принимал определяющее участие в проектировании, сборке и запуске ускорителя.

2. Исследованы различные схемы диодов с самоизоляцией с пассивным анодом. В инверсном диоде получена плотность тока в фокусе 15 Ка/см2, что соответствует коэффициенту фокусировки около 100. Показано, что в отличие от диодов с внешним магнитным полем, в диоде с самоизоляцией эффективно работает диэлектрический анод и при использовании коротких импульсов напряжения ( менее 30 не).

3. В плазмонаполненном диоде сферической геометрии, работающем в режиме ППТ, получено обострение мощности в 2,5 раза по сравнению с согласованной нагрузкой при эффективности генерации МИП 25%. Получена плотность тока в фокусе 15-20 кА/см2,

4. Исследована генерация МИП в МППТ на двух ускорителях, измерены аксиальное и азимутальное распределения ионного тока и выбраны режимы для экспериментов по модификации материалов.

5. В работе впервые исследована модификация поверхности металлов ионным пучком, генерируемым в МППТ.

6. Показано, что обработка в МППТ с высокими энергиями ионов (0,8-1 МэВ) перспективна для получения больших слоёв ( сотни мкм) с повышенной микротвёрдостью в различных сталях, а с низкими энергиями ( 200-300 КэВ) - для улучшения коррозионных и усталостных свойств алюминиевых сплавов.

7. Показано, что при облучении тонкой плёнки Ti (500 нм ) на

поверхности алюминия достигается внедрение титана в основу на глубину

до 1,2 мкм без существенного испарения титана и достигается улучшение

коррозионных свойств поверхности.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации.

1. В.М. Быстрицкий, Ю.А. Глушко, В.М. Матвиенко, А.В. Харлов. Наносекундный ускоритель ПАРУС. Тезисы докл. 7 Всес. Симп. по сильноточной электронике. Томск, 1988, т. 2, с. 124.

2. В.М. Быстрицкий, Ю.А. Глушко, В.М. Матвиенко, А.В. Харлов. Генерация и фокусировка ионных пучков в диоде с самоизоляцией. Зй Всесоюзный семинар по плазменной электронике, 1988, Харьков, с. 68.

3. Быстрицкий, Ю.А. Глушко, А.В. Харлов. Эксперименты по генерации ионных пучков на ускорителе ПАРУС. Тез. докл. 8 Всес. Симп. по сильноточной электронике. Свердловск, 1990, т. 2, с. 125.

4. Bystritskii V.M., Glushko Yu.A., Kharlov A.V., Sinebryukhov A.A. Experiments on high power ion beam generation in self-insulated diodes. Laser and Particle Beams, 1991, v. 9, № 3, pp. 691-698.

5. Быстрицкий B.M., Глушко Ю.А., Ковальчук Б.М., Харлов А.В. Наносекундный сильноточный ускоритель электронных и ионных пучков. ПТЭ, 1992, № 4, с. 40-44.

6. Быстрицкий В.М., Григорьев С.В., Харлов А.В. Эксперименты по генерации мощных ионных пучков в плазмонаполненном диоде. ЖТФ, 1992, т. 62, в. 12, с. 163.

7. Bystritskii V.M., Kharlov A.V., Mesyats G.A., Sinebryukhov A.A. Experiments on generation of a high power ion beam in the plasma-filled diode. Laser and Particle Beams, 1993, v. 11, № 1, pp. 269-276.

8. Григорьев C.B., Харлов А.В. и др. Исследование модификации поверхности металлов и сплавов под воздействием ионного пучка. В докл. 4 Всероссийской конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск, 1996, с. 141.

9. Bystritskii, V.M., Grigoriev, S.V., Kharlov, A.V., et al. Material surface treatment using microsecond plasma opening switch. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 1997, Vol. 26, #2, p. 151.

10. Bystritskii V.M., Garate E, Kharlov A.V et al. Modification of material surface using plasma enhanced ion beams. Laser and Particle Beams, 1998, v. 16, №4, p. 569.

11. Bystritskii V.M., Garate E, Kharlov A.V et al. The high power pulsed ion beam mixing of a titanium layer with an aluminum substrate. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1999, v. 149, p. 61-66.

12. Bystritskii V.M., Garate E, Kharlov A.V et al. Fatigue properties of 2024-T3, 7075-T6 aluminum alloys modified using plasma enhanced ion beams. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 1999, Vol. 32, #1, pp. 47-53.

13. Peng X., Garate E, Kharlov A.V et al. Characteristics of material surfaces modified using plasma enhanced ion beams. Material Science and Engineering A, 1998, v. 251, pp. 142-149.

14. Bystritskii V.M., Garate E, Kharlov A.V. Corrosion and fatigue properties of a Chromate converted and ion beam modified 7075-T6 alloy surface. Proc. of the 13th IEEE conference on Pulsed Power, Monterey, CA, 1999.