blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2015-8-583-88blackmet-711Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СПЛАВА ПРИ ПЛАВЛЕНИИ СИСТЕМЫ ПЛЕНКА – ПОДЛОЖКА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ. СООБЩЕНИЕ 1FORMATION OF SURFACE ALLOYS AT MELTING OF FILM-SUBSTRATE SYSTEM BY HIGH-INTENSITY PULSED ELECTRON BEAM. REPORT 1ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

д.ф.-м. н., ведущий научный сотрудник, профессор 

634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3

634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36

Dr. Sci. (Phys.-math.), Leading Researcher, Professor 

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk, 634055, Russia

36, Lenina ave., Tomsk, 634050, Russia

yufi55@mail.ruДенисоваЮ. А.DenisovaYu. A.

к.ф.-м. н., младший научный сотрудник, научный сотрудник лаборатории низкотемпературной плазмы

634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3

634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36

Cand. Sci. (Phys.-math.), Junior Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk, 634055, Russia

36, Lenina ave., Tomsk, 634050, Russia

ТересовА. Д.TeresovA. D.

ведущий электроник , младший научный сотрудник лаборатории низкотемпературной плазмы

634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3

634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36

Leading Electronic Engineer of the Laboratory Plasma Emission Electronics

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk, 634055, Russia

36, Lenina ave., Tomsk, 634050, Russia

КрысинаО. В.KrysinaO. V.

младший научный сотрудник , младший научный сотрудник лаборатории низкотемпературной плазмы

634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3

634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36

Junior Researcher of the Laboratory Plasma Emission Electronics

2/3, Akademicheskii ave., Tomsk, 634055, Russia

36, Lenina ave., Tomsk, 634050, Russia

Институт сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетРоссияInstitute of High Current Electronics of SB RAS; National Research Tomsk State UniversityRussian Federation201504102015588583588Copyright © Иванов Ю.Ф., Денисова Ю.А., Тересов А.Д., Крысина О.В., 20152015Иванов Ю.Ф., Денисова Ю.А., Тересов А.Д., Крысина О.В.Ivanov Y.F., Denisova Y.A., Teresov A.D., Krysina O.V.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/711

Аннотация. Рассмотрены результаты сравнительного анализа элементного и фазового составов, дефектной субструктуры поверхностного слоя стали 40Х, подвергнутой, во-первых, облучению высокоинтенсивным импульсным электронным пучком и, во-вторых, легированию путем плавления системы пленка (медь) – подложка (сталь 40Х) при облучении высокоинтенсивным импульсным электронным пучком. Выявлены закономерности эволюции структуры поверхностного слоя стали в зависимости от плотности энергии пучка электронов. Показано, что высокоскоростная кристаллизация и последующая закалка стали 40Х приводят к формированию модифицированного слоя толщиной до 30 мкм. Выявлено формирование в поверхностном слое ячеистой структуры, средние размеры ячеек увеличиваются от 240 до 500 нм при росте плотности энергии пучка электронов от 10 до 20 Дж/см2 (N = 10 имп.). Облучение высокоинтенсивным импульсным электронным пучком системы пленка (медь) – подложка (сталь 40Х) сопровождается формированием поверхностного сплава с закалочной структурой, упрочненной наноразмерными выделениями частиц меди.

Abstract. The paper examines the results of the comparative analysis of the elemental and phase composition, defective substructure of a surface layer of 40Cr steel, subjected, fi rstly, to the irradiation with highintensity pulsed electron beam and, secondly, to the alloying by means of melting of fi lm (Cu) – substrate (40Cr steel) system, when irradiating with high-intensity pulsed electron beam. Evolution regularities of the structure of steel surface layer have been revealed in dependence on electron beam energy density. It has been shown that high-speed crystallization and the subsequent hardening of 40Cr steel leads to the formation of the modifi ed layer with the thickness up to 30 μm. The formation of cell structure in a surface layer has been revealed, average cell sizes increase from 240 nm to 500 nm at the growth of electron beam energy density from 10 J/cm2 to 20 J/cm2 (N = 10 imp.). The irradiation with high-intensity pulsed electron beam of fi lm (Cu) – substrate (40Cr steel) system is accompanied by the formation of a surface alloy with a hardening structure, hardened with nanodimensional copper particle extractions.

сталь 40Хсистема пленка – подложкаструктуравысокоинтенсивный импульсный электронный пучок40Cr steelthe fi lm/substrate systemstructurehigh-intensity pulsed electron beamИсследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00091).The research was performed at the expense of the grant of Russian Science Foundation (project no. 14-29-00091).ReferencesПерспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин и др. – М.: Круглый стол, 2001. – 528 с. Gribkov V.A., Grigor’ev F.I., Kalin B.A. etc. Perspektivnye radiatsionnopuchkovye tekhnologii obrabotki metallov [Perspective radiation-beam technologies of metal treatment]. Moscow: Kruglyi stol, 2001. 528 p. (In Russ.).Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин и др. – М.: Круглый стол, 2001. – 528 с. Gribkov V.A., Grigor’ev F.I., Kalin B.A. etc. Perspektivnye radiatsionnopuchkovye tekhnologii obrabotki metallov [Perspective radiation-beam technologies of metal treatment]. Moscow: Kruglyi stol, 2001. 528 p. (In Russ.).Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой / А.П. Ласковнев, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова и др. – Минск: Беларус. Навука, 2013. – 287 с. Laskovnev A.P., Ivanov Yu.F., Petrikova E.A., Koval’ N.N., Uglov V.V., Cherenda N.N., Bibik N.V., Astashinskii V.M. Modifi katsiya struktury i svoistv evtekticheskogo silumina elektronnoionnoplazmennoi obrabotkoi [Structure and property modifi cation of eutectic silumin with electron-ion-plasma treatment]. Minsk: Belarus. Navuka, 2013. 287 p. (In Russ.).Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой / А.П. Ласковнев, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова и др. – Минск: Беларус. Навука, 2013. – 287 с. Laskovnev A.P., Ivanov Yu.F., Petrikova E.A., Koval’ N.N., Uglov V.V., Cherenda N.N., Bibik N.V., Astashinskii V.M. Modifi katsiya struktury i svoistv evtekticheskogo silumina elektronnoionnoplazmennoi obrabotkoi [Structure and property modifi cation of eutectic silumin with electron-ion-plasma treatment]. Minsk: Belarus. Navuka, 2013. 287 p. (In Russ.).Qu H.P., Wang H.M. Microstructure and mechanical properties of laser melting deposited gamma-TiAl intermetallic alloys // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 466. P. 187 – 194.Qu H.P., Wang H.M. Microstructure and mechanical properties of laser melting deposited gamma-TiAl intermetallic alloys // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 466. P. 187 – 194.Модификация материалов компрессионными плазменными потоками / В.В. Углов, Н.Н. Черенда, В.М. Анищик и др. – Минск: изд. БГУ, 2013. – 248 с. Uglov V.V., Cherenda N.N., Anishchik V.M., Astashinskii V.M., Kvasov N.T. Modifi katsiya materialov kompressionnymi plazmennymi potokami [Material modifi cation with compressive plasma fl ows]. Minsk: izd. BGU, 2013. 248 p. (In Russ.).Модификация материалов компрессионными плазменными потоками / В.В. Углов, Н.Н. Черенда, В.М. Анищик и др. – Минск: изд. БГУ, 2013. – 248 с. Uglov V.V., Cherenda N.N., Anishchik V.M., Astashinskii V.M., Kvasov N.T. Modifi katsiya materialov kompressionnymi plazmennymi potokami [Material modifi cation with compressive plasma fl ows]. Minsk: izd. BGU, 2013. 248 p. (In Russ.).Нанокристаллические интерметаллидные и нитридные структуры, формирующиеся при ионно-лучевом воздействии / И.А. Курзина, Э.В. Козлов, Ю.П. Шаркеев и др. – Томск: Изд-во НТЛ, 2008. – 324 с. Kurzina I.A., Kozlov E.V., Sharkeev Yu.P., Fortuna S.V., Koneva N.A., Bozhko I.A., Kalashnikov M.P. Nanokristallicheskie intermetallidnye i nitridnye struktury, formiruyushchiesya pri ionnoluchevom vozdeistvii [Nanocrystalline intermetallic compounds and nitride structures, formed at the ion-beam infl uence]. Tomsk: Izd-vo NTL, 2008. 324 p. (In Russ.).Нанокристаллические интерметаллидные и нитридные структуры, формирующиеся при ионно-лучевом воздействии / И.А. Курзина, Э.В. Козлов, Ю.П. Шаркеев и др. – Томск: Изд-во НТЛ, 2008. – 324 с. Kurzina I.A., Kozlov E.V., Sharkeev Yu.P., Fortuna S.V., Koneva N.A., Bozhko I.A., Kalashnikov M.P. Nanokristallicheskie intermetallidnye i nitridnye struktury, formiruyushchiesya pri ionnoluchevom vozdeistvii [Nanocrystalline intermetallic compounds and nitride structures, formed at the ion-beam infl uence]. Tomsk: Izd-vo NTL, 2008. 324 p. (In Russ.).Гончаренко И.М., Иванов Ю.Ф., Григорьев С.В. и др. // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7 (Спец. выпуск). Ч. 2. С. 201 – 204. Goncharenko I.M., Ivanov Yu.F., Grigor’ev S.V., Koval’ N.N., Shchanin P.M., Yang Si-Ze. Formation regularities of the diffusive saturation zone at steel nitriding in plasma of gas discharge. Fizicheskaya mezomekhanika. 2004, Vol. 7 (Spec. Issue), Part 2, pp. 201–204. (In Russ.).Гончаренко И.М., Иванов Ю.Ф., Григорьев С.В. и др. // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7 (Спец. выпуск). Ч. 2. С. 201 – 204. Goncharenko I.M., Ivanov Yu.F., Grigor’ev S.V., Koval’ N.N., Shchanin P.M., Yang Si-Ze. Formation regularities of the diffusive saturation zone at steel nitriding in plasma of gas discharge. Fizicheskaya mezomekhanika. 2004, Vol. 7 (Spec. Issue), Part 2, pp. 201–204. (In Russ.).Теплофизика плазменного напыления и смежных технологий / О.П. Солоненко, В.В. Кудинов, А.В. Смирнов и др.; отв. ред. В.М. Фомин, О.П. Солоненко. – Новосибирск: Наука, 2004. – 401 с. Solonenko O.P., Kudinov V.V., Smirnov A.V. etc. Teplofi zika plazmennogo napyleniya i smezhnykh tekhnologii [Thermal physics of plasma coating and combined technologies]. Fomin V.M., Solonenko O.P. eds. Novosibirsk: Nauka, 2004. 401 p. (In Russ.).Теплофизика плазменного напыления и смежных технологий / О.П. Солоненко, В.В. Кудинов, А.В. Смирнов и др.; отв. ред. В.М. Фомин, О.П. Солоненко. – Новосибирск: Наука, 2004. – 401 с. Solonenko O.P., Kudinov V.V., Smirnov A.V. etc. Teplofi zika plazmennogo napyleniya i smezhnykh tekhnologii [Thermal physics of plasma coating and combined technologies]. Fomin V.M., Solonenko O.P. eds. Novosibirsk: Nauka, 2004. 401 p. (In Russ.).Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с. Marochnik stalei i splavov [Steels and alloys grade guide]. Sorokin V.G. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1989. 640 p. (In Russ.).Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с. Marochnik stalei i splavov [Steels and alloys grade guide]. Sorokin V.G. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1989. 640 p. (In Russ.).Винтизенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вуз. Физика. 2001. Т. 44. № 9. С. 28 – 35. Vintizenko L.G., Grigor’ev S.V., Koval’ N.N., Tolkachev V.S., Lopatin I.V., Shchanin P.M. Hollow-cathode low-pressure arc discharges and their application in plasma generators and chargedparticle sources. Russian Physics Journal. 2001, Vol. 44, no. 9, pp. 927–936.Винтизенко Л.Г., Григорьев С.В., Коваль Н.Н. и др. // Изв. вуз. Физика. 2001. Т. 44. № 9. С. 28 – 35. Vintizenko L.G., Grigor’ev S.V., Koval’ N.N., Tolkachev V.S., Lopatin I.V., Shchanin P.M. Hollow-cathode low-pressure arc discharges and their application in plasma generators and chargedparticle sources. Russian Physics Journal. 2001, Vol. 44, no. 9, pp. 927–936.Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. // Изв. вуз. Физика. 2008. № 5. С. 60 – 70. Koval’ N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron-beams. Russian Physics Journal. 2008, Vol. 51, no. 5, pp. 505–516.Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. // Изв. вуз. Физика. 2008. № 5. С. 60 – 70. Koval’ N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron-beams. Russian Physics Journal. 2008, Vol. 51, no. 5, pp. 505–516.Закаленная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Иванов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с. Ivanov Yu.F., Kornet E.V., Kozlov E.V., Gromov V.E. Zakalennaya konstruktsionnaya stal’: struktura i mekhanizmy uprochneniya [Hardened constructional steel: structure and hardening mechanisms]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2010. 174 p. (In Russ.).Закаленная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения / Ю.Ф. Иванов, Е.В. Корнет, Э.В. Козлов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. – 174 с. Ivanov Yu.F., Kornet E.V., Kozlov E.V., Gromov V.E. Zakalennaya konstruktsionnaya stal’: struktura i mekhanizmy uprochneniya [Hardened constructional steel: structure and hardening mechanisms]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2010. 174 p. (In Russ.).Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с. Kurdyumov V.G., Utevskii L.M., Entin R.I. Prevrashcheniya v zheleze i stali [Transformations in iron and steel]. Moscow: Nauka, 1977. 236 p. (In Russ.).Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1977. – 236 с. Kurdyumov V.G., Utevskii L.M., Entin R.I. Prevrashcheniya v zheleze i stali [Transformations in iron and steel]. Moscow: Nauka, 1977. 236 p. (In Russ.).Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996-2000. Т. 1 – 3. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem [State diagram of double metallic systems]. Vols. 1–3. Lyakishev N.P. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1996-2000. (In Russ.).Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996-2000. Т. 1 – 3. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem [State diagram of double metallic systems]. Vols. 1–3. Lyakishev N.P. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1996-2000. (In Russ.).

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