Российские исследователи при помощи синхротронного излучения Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) провели изучение фазовых переходов в металле под воздействием импульсного электронного облучения. Это исследование позволит задавать необходимые характеристики металла за счет подбора параметров облучения, сообщили в Минобрнауки РФ. 
«Группа исследователей из Томского научного центра СО РАН, Института физики прочности и материаловедения им. В. Е. Панина СО РАН, Института сильноточной электроники СО РАН и ЦКП “СКИФ” с применением метода синхротронной рентгеновской дифракции в реальном времени проанализировала эволюцию фазовых превращений в многослойной системе бор-титан при импульсном облучении электронным пучком. Исследование создает базу для перехода от эмпирического подбора режимов обработки к рациональному проектированию композитов с заданными свойствами», — отметили в министерстве.
По словам заведующего лабораторией перспективных технологий ТНЦ СО РАН Евгения Яковлева, ранее для выбора режима обработки металла ученым приходилось создавать множество отдельных образцов — это занимало много времени и требовало значительных затрат. Теперь у них имеется метод, который позволяет в реальном времени наблюдать, как изменяется структура материала после каждого импульса электронного пучка. Это дает возможность быстро тестировать различные режимы обработки и немедленно видеть, какой из них обеспечивает требуемые характеристики покрытия — твердость, износостойкость или пластичность.
Исследователи облучали многослойный материал из титана и гексаборида лантана на титановой подложке серией импульсов электронного пучка. После каждого импульса с помощью синхротронного излучения фиксировались фазы, присутствующие в материале в данный момент. Плотность энергии пучка варьировалась от минимальной до максимальной. В результате было выявлено четыре сценария изменения структуры в зависимости от энергии. По сути, исследователи создали «путеводитель» по фазовому составу поверхностного слоя.
«Проведенное исследование показало возможность целенаправленно получать материалы с нужными эксплуатационными характеристиками для конкретных задач путем выбора параметров облучения. Теперь исследователь или инженер может сразу выбрать для себя оптимальный сценарий, затратив значительно меньше времени и сэкономив множество ресурсов», — подчеркнул Яковлев.
О сценариях
При низкой плотности энергии материал не плавится, а лишь нагревается. В нем происходят рекристаллизация и снятие внутренних напряжений. Такой режим подходит, если структуру нужно сохранить прежней, но провести отжиг.
Когда энергия возрастает, плавятся только нанесенные слои покрытия. Бор из гексаборида лантана взаимодействует с титаном и образует диборид титана. Это обеспечивает максимальную твердость и износостойкость.
При дальнейшем увеличении плотности энергии начинает плавиться и титановая подложка. Титан из нее попадает в расплав и разбавляет его, концентрация бора уменьшается, и вместо диборида титана формируется менее насыщенный бором борид титана. Этот результат интересен для достижения баланса между твердостью и пластичностью.
На максимальных значениях энергии подложка плавится обширно. Равновесные бориды растворяются, а сверхбыстрая закалка приводит к образованию неравновесной фазы титана с уникальными свойствами.
Полученные результаты были опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Alloys and Compounds. Ученые планируют дополнить установку магнетроном, чтобы в реальном времени наблюдать за напылением и облучением.
Фото: hi-tech.mail.ru