blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2014-9-45-51blackmet-404Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ НИКЕЛИДА ТИТАНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВMICROSTRUCTURE EVOLUTION IN THE MODIFIED SUBSURFACE LAYER OF TiNi ALLOY UNDER LOW ENERGY HIGH CURRENT PULSED ELECTRON BEAMМейснерЛ. Л.MeisnerL. L.

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher

artifakt@ispms.tsc.ruОстапенкоМ. Г.OstapenkoM. G.

к.ф.-м.н., младший научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы 

Cand. Sci. (Eng.), Junior Researcher

ЛотковА. И.LotkovA. I.

д.ф.-м.н., зам. директора по научной работе

Dr. Sci. (Eng.), Professor

ГудимоваЕ. Ю.GudimovaE. Yu.

аспирант

Postgraduate

НейманА. А.NeimanA. A.

к.т.н., младший научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы

Cand. Sci. (Eng.), Junior Researcher

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН(634021, Россия, г . Томск, просп. Академический, 2/4) Национальный исследовательский Томский государственный университет(634050, Россия, г . Томск, пр. Ленина, 36)РоссияInstitute of Strength Physics and Material Science Siberian Brunch of Russian Academy of Sciences (2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634021, Russia) National Research Tomsk State University (36, pr. Lenina, Tomsk, 634050, Russia)Russian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН(634021, Россия, г . Томск, просп. Академический, 2/4) Национальный исследовательский Томский политехнический университет(634050, Россия, г . Томск, пр. Ленина, 30)РоссияInstitute of Strength Physics and Material Science Siberian Brunch of Russian Academy of Sciences (2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634021, Russia) National Research Tomsk Polytechnic University (30, pr. Lenina, Tomsk, 634050, Russia)Russian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН(634021, Россия, г . Томск, просп. Академический, 2/4)РоссияInstitute of Strength Physics and Material Science Siberian Brunch of Russian Academy of Sciences (2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634021, Russia)Russian Federation2014280320155794551Copyright © Мейснер Л.Л., Остапенко М.Г., Лотков А.И., Гудимова Е.Ю., Нейман А.А., 20152015Мейснер Л.Л., Остапенко М.Г., Лотков А.И., Гудимова Е.Ю., Нейман А.А.Meisner L.L., Ostapenko M.G., Lotkov A.I., Gudimova E.Y., Neiman A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/404

Проведено исследование  влияния импульсных  электронно-пучковых  воздействий  с различной плотностью  энергии  в пучке на изменение структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях никелида титана. Выявлено, что после облучения образцов никелида титана TiNi импульсными низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками кроме дифракционных рефлексов от фазы В2 на дифрактограммах наблюдаются дополнительные рефлексы, соответствующие мартенситной фазе В19′ никелида титана и при увеличении плотности энергии в пучке от 15 до 30 Дж/см2 содержание последней увеличивается примерно от 5 до 80 % (по объему). Обнаружено, что в поверхностном (расплавляемом на глубину примерно до 10 мкм) слое образцов происходит растворение фазы Ti2Ni, которое приводит к  изменению  концентрации  титана  и  никеля. Сформированная  в  этом модифицированном  слое  основная фаза  обогащена  титаном  по сравнению с его исходным содержанием в фазе В2 (до облучения). Выявлено, что в поверхностных слоях образцов никелида титана TiNi, обработанных импульсными электронными пучками с меньшими (15 и 20 Дж/см2) значениями плотности энергии в пучке, формирования фазы В19′ не происходит, а в образцах, обработанных импульсными электронными пучками с большей (30 Дж/см2) плотностью энергии в пучке, поверхностный слой на всю глубину проникновения рентгеновского пучка находится в мартенситном состоянии.

The paper is devoted to the effect of pulsed electron-beam treatments with different energy densities Е1 = 15 J/cm2, Е2 = 20  J/cm2 и Е3  =  30 J/cm2 on the change of structural and phase states in the NiTi surface layers. It is revealed that in the diffraction patterns of NiTi specimens with one side irradiated by a low-energy high-current electron beam the refl  ections B2 phase and martensite phase B19′ are observed. By increasing the energy density from Е1 = 15 J/cm2 to Е3  =  30  J/cm2 the content of martensite phase B19′ increases from 5  % to 80 %. It is also revealed that the surface layer is melted to the thickness 8–10  μm, and in this layer the Ti2Ni phase dissolves. The dis-solution of Ti2Ni phase leads to a change in the concentration of Ti and Ni. It is established that the modifi  ed B2 phase in the melted layer is enriched with titanium as compared with its original content in the B2 phase up to irradiation. It is revealed that B19′ phase formation occurs when the surface layers of the samples TiNi are treated with pulsed electron beams with lower values of the energy density in the beam (Е1  =  15  J/cm2,  Е2 = 20 J/cm2). In the samples treated with pulsed elect ron beams with greater energy density in the beam Е3  =  30  J/cm2, the surface layer to the entire depth of penetration of X-ray beam is in the martensitic state. 

никелид титанаповерхностный модифицированный слойэлектронно-пучковые воздействияструктурно-фазовые состояниямартенситная фаза В19′nickel-titanium alloymodified surface layerelectron beam treatmentstructural-phase statesthe В19′ martensite phaseИсследования проведены в рамках Госбюджетных проектов № III.23.2.1, Государственного контракта № 16.522-11-2019 и при финансовой поддержке стипендиального фонда Президента РФ (СП-236.2012.4).ReferencesБойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц. // Успехи физических наук. 1999. Т. 169. № 11. С. 1243 – 1271.Boiko V.I., Valyaev A.N., Pogrebnyak A.D. The modifi cation of metals by high-current pulsed electron beams. UFN – Physics Uspekhi. 1999, Vol. 169, no. 11, pp. 1270–1271.Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов / К.К. Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк и др. – М.: изд. МГУ, 2005. – 640 с.Kadyrzhanov K.K., Komarov F.F., Pogrebnyak A.D. etc. Ionno-luchevaya i ionno-plazmennaya modifi katsiya materialov [Ion-beam and ion-plasma modifi cation of materials]. Moscow: Izd. MGU, 2005. 640 p. (In Russ.).Наноинженерия поверхности. Формирование неравновесных состояний в поверхностных слоях материалов методами электронно-ионно-плазменных технологий / Отв. ред. И.З. Ляхов, С.Г. Псахье. – Новосибирск: изд. СО РАН, 2008. – 276 с.Nanoinzheneriya poverkhnosti. Formirovanie neravnovesnykh sostoyanii v poverkhnostnykh sloyakh materialov metodami elektronno-ionno-plazmennykh tekhnologii [Nanoengineering surface. Formation of non-equilibrium states in the surface layers of materials by means of electron-ion-plasma technologies]. Lyakhov. I.Z., Psakh’e S.G. eds.; RAN SO, In-t fi ziki prochnosti i materialovedeniya. Novosibirsk: izd. SO RAN. 2008. 276 p. (In Russ.).Погребняк А.Д., Братушка С.Н., Маликов Л.В. и др. Влияние высоких доз ионов N+ , N+ + Ni+, Mo+ + W+ на физико-механические свойства TiNi. // Журнал технической физики. 2009. Т. 79. № 5. С. 65 – 72.Pogrebnyak A.D., Bratushka S.N., Malikov L.V., Levintant N., Erdybaeva N.K., Plotnikov S.V., Gritsenko B.P. Effect of high doses of N+, N+ + Ni+, and Mo+ + W+ ions on the physicomechanical properties of TiNi. ZhTF = Technical Physics. 2009. Vol. 54, no. 5, pp. 667–673.Rotshtein V.P., Ivanov Yu.F., Markov A.B. – In book: Materials surface processing by directed energy techniques / Pauleau Ed.Y. – Amsterdam: Elsevier, 2006. P. 205 – 240.Rotshtein V.P., Ivanov Yu.F., Markov A.B. In: Materials surface processing by directed energy techniques. Pauleau Y. ed. Amsterdam: Elsevier, 2006, pp. 205–240.Лотков А.И., Мейснер Л.Л., Гришков В.Н. Сплавы на основе никелида титана: ионно-лучевая плазменная и химическая модификации поверхности. // Физика металлов и металловедение. 2005. Т. 99. № 5. С. 66 – 78.Lotkov A.I., Meisner L.L., Grishkov V.N. Titanium nickelide-based alloys: surface modifi cations with ion beam, plasma fl ows and chemical treatment. Fizika metallov i metallovedenie = Physics of Metals and Metallography. 2005. Vol. 99, no. 5, pp. 508–519.Zhang K.M., Yang D.Z., Zou J.X. etc. // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201(6). P. 3096 – 3102.Zhang K.M., Yang D.Z., Zou J.X., Grosdidier T., Dong C. Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201(6), pp. 3096–3102.Hao S., Wu P., Zou J. etc. // Applied surface science. 2007. Vol. 253(12). P. 5349 – 5354.Hao S., Wu P., Zou J., Grosdidier T., Dong C. Applied surface science. 2007. Vol. 253(12), pp. 5349–5354.Zou J.X., Zhang K.M., Hao S.Z. etc. // Thin Solid Films. 2010. Vol. 519(4). P. 1404 – 1415.Zou J.X., Zhang K.M., Hao S.Z., Dong C., Grosdidier T. Thin Solid Films. 2010. Vol. 519(4), pp. 1404–1415.Zhang K., Zou J., Grosdidier T., Dong C. // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2010. Vol. 28. P. 1349 – 1355.Zhang K., Zou J., Grosdidier T., Dong C. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2010. Vol. 28, pp. 1349–1355.Мейснер Л.Л., Лотков А.А., Остапенко М.Г., Гудимова Е.Ю. Анализ методами рентгеновской дифрактометрии градиента внутренних напряжений в никелиде титана после электронно-пучковой обработки поверхности // Физическая мезомеханика. 2012. № 3. С. 79 – 89.Meisner L.L., Lotkov A.A., Ostapenko M.G., Gudimova E.Yu. X-ray analysis of gradient of residual stress in nickel-titanium alloy irradiated with low-energy high-current electron beams. Fizicheskaja mezomehanika = Physical Mesomechanics. 2012. Vol. 3, pp. 79–89. (In Russ.).Meisner L.L., Lotkov A.A., Ostapenko M.G., Gudimova E.Yu. // Applied Surface Science. 2013. Vol. 280. P. 398 – 404.Meisner L.L., Lotkov A.A., Ostapenko M.G., Gudimova E.Yu. XRD study of residual elastic stress and microstructure of near-surface layers in nickel-titanium alloy irradiated with low-energy High-current electron beams. Applied Surface Science. 2013. Vol. 280, pp. 398–404.Липсон Г., Стипл Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм. – М.: Мир, 1972. – 384 с.Lipson G., Steeple G. Interpretacija poroshkovyh rentgenogramm [Interpretation of powder X-ray diffraction patterns]. Moscow: Mir, 1972. 384 p. (In Russ.).Гришков В.Н., Лотков А.И. Мартенситные превращения в области гомогенности интерметаллида. // Физика металлов и металловедение. 1985. Т. 60. Вып. 2. С. 351 – 355.Grishkov V.N., Lotkov A.I. Martensite transformations in the homogeneity region of TiNi intermetallic compound. FMM = Physics of Metals and Metallography. 1987. Vol. 60. Issue 2, pp. 132–137.Prokoshkin S.D., Korotitskiy A.V., Gundyrev V.M., Zeldovich V.I. // Materials Science & Engineering. 2008. Vol. 481 – 482. P. 489 – 493.Prokoshkin S.D., Korotitskiy A.V., Gundyrev V.M., Zeldovich V.I. Materials Science & Engineering. 2008. Vol. 481–482, pp. 489–493.Acknowledgements. Investigations were carried out in the framework of the state budget projects no. III.23.2.1, State contract no. 16.522-11-2019 and with the financial support of the Scholarship Fund of the President of the Russian Federation (SP-236.2012.4).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.