Повышение функциональных свойств сплавов электронно-пучковой обработкой

Выполнен обзор отечественных и зарубежных работ по применению интенсивных импульсных электронных пучков для поверхностной обработки металлов, сплавов, металлокерамических и керамических материалов. Отмечены преимущества использования электронных импульсных пучков по сравнению с лазерными лучами, потоками плазмы, ионными пучками. Проанализированы перспективные направления использования электронно-пучковой обработки: 1 – выглаживание поверхности, избавление от поверхностных микротрещин с одновременным изменением структурно-фазового состояния поверхностного слоя для создания высокопроизводительных технологий финишной обработки ответственных металлических изделий сложной формы из титанового сплава Ti-6Al-4V и титана, сталей различного класса, твердого сплава WC – 10 % Сo, алюминия; 2 – удаление микрозаусенцев, образующихся при изготовлении прецизионных пресс-форм (сталь SKD11) и биомедицинских изделий (сплав Ti-6Al-4V); 3 – финишная обработка поверхности пресс-форм и штампов; 4 – улучшение функциональных свойств металлических биоматериалов (нержавеющей стали, титана и его сплавов, сплавов на основе никелида титана с эффектом памяти формы, сплавов магния; 5 – обработка изделий медицинского назначения и имплантатов; 6 – формирование поверхностных сплавов для мощных электродинамических систем; 7 – улучшение характеристик лопаток авиационных двигателей и лопаток компрессоров; 8 – формирование термобарьерных покрытий, наносимых на поверхность камер сгорания. Показано, что при правильном выборе параметров процесса, таких как ускоряющее напряжение, плотность энергии пучка электронов, количество и длительность импульсов, возможен тщательный контроль и/или манипулирование характеристиками структурно-фазового состояния и свойств поверхности. Отмечено, что для улучшения свойств материала и увеличения длительности эксплуатации изделий из него важным фактором является модификация структуры с целью формирования субмикро- или наноразмерного зерна (или субзеренной структуры).

1. Озур Г.Е., Проскуровский Д.И. Источники низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом / Под ред. Н.Н. Коваля. Новосибирск: Наука, 2018. 176 с. http://doi.org/10.15372/Sources2018OGE

2. Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / Под ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. Томск: Изд-во НТЛ, 2016. 304 с.

3. Иванов Ю.Ф. Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов. Томск: Изд-во НТЛ, 2016. 308 с.

4. Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Vorobiev S.V., Konovalov S.V. Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams. Cambridge Int. Science Publ., 2015. 272 p.

5. Patent US7049539B2 US. Method for surface treating a die by electron beam irradiation and a die treated thereby / Uno Y., Okada A., Uemura K., Raharjo P. Publ. May 23, 2006.

6. Murray J.W., Kinnell P.K., Cannon A.H., Bailey B., Clare A.T. Surface finishing of intricate metal mould structures by large-area electron beam irradiation // Precision Engineering. 2013. Vol. 37. No. 2. P. 443–450. http://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2012.11.007

7. Goriainov V., Cook R.B., Murray J.W., Walker J.C., Dunlop D.G., Clare A.T., Oreffo R.O.C. Human skeletal stem cell response to multiscale topography induced by large area electron beam irradiation surface treatment // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2018. Vol. 6. Article 91. http://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00091

8. Manufacturing Techniques for Materials. Engineering and Engineered. Srivatsan T.S., Sudarshan T.S., Manigandan K. eds. Taylor and Francis Group, LLC, 2018. 814 p.

9. Okada A., Uno Y., Yabushita N., Uemura K., Raharjo P. High efficient surface finishing of bio-titanium alloy by large-area electron beam irradiation // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 149. No. 1-3. P. 506–511. http://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.02.017

10. Tokunaga J., Kojima T., Kinuta S., Wakabayashi K., Nakamura T., Yatani H., Sohmura T. Large-area electron beam irradiation for surface polishing of cast titanium // Dental Materials Journal. 2009. Vol. 28. No. 5. P. 571–577. http://doi.org/10.4012/dmj.28.571

11. Uno Y., Okada A., Uemura K., Raharjo P., Sano S., Yu Z., Mishima S. A new polishing method of metal mold with large-area electron beam irradiation // Journal of Materials Processing Technology. 2007. Vol. 187-188. P. 77–80. http://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.11.080

12. Okada A., Okamoto Y., Uno Y., Uemura K. Improvement of surface сharacteristics for long life of metal molds by large-area EB irradiation // Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214. No. 8. P. 1740–1748. http://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.02.028

13. Okada A., Kitada R., Okamoto Y., Uno Y. Surface modification of cemented carbide by EB polishing // CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2011. Vol. 60. No. 1. P. 575–578. http://doi.org/10.1016/j.cirp.2011.03.107

14. Shinonaga T., Okada A., Liu H., Kimura M. Magnetic fixture for enhancement of smoothing effect by electron beam melting // Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 254. P. 229–237. http://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.11.024

15. Okada A., Yonehara H., Okamoto Y. Fundamental study on microdeburring by large-area EB irradiation // Procedia CIRP. 2013. Vol. 5. P. 19–24. http://doi.org/10.1016/j.procir.2013.01.004

16. Zhang K., Zou J., Grosdidier T., Dong C., Yang D. Improved pitting corrosion resistance of AISI 316L stainless steel treated by high current pulsed electron beam // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201. No. 3-4. P. 1393–1400. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.02.008

17. Ротштейн В.П., Гюнцель Р., Марков А.Б., Проскуровский Д.И., Фам М.Т, Рихтер Э., Шулов В.А. Поверхностная модификация титанового сплава низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком при повышенных начальных температурах // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. C. 62–72.

18. Zhang X.D., Hao S.Z., Li X.N., Dong C., Grosdidier T. Surface modification of pure titanium by pulsed electron beam // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. No. 13. P. 5899–5902. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.01.136

19. Zhang K.M., Yang D.Z., Zou J.X., Grosdidier T., Dong C. Improved in vitro corrosion resistance of a NiTi alloy by high current pulsed electron beam treatment // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201. No. 6. P. 3096–3102. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.06.030

20. Li M.C., Hao S.Z., Wen H., Huang R.F. Surface composite nanostructures of AZ91 magnesium alloy induced by high current pulsed electron beam treatment // Applied Surface Science. 2014. Vol. 303. P. 350–353. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.03.004

21. Uvarov A., Uemura K., Alexandrov S., Murayama H., Soba R. Molecular properties characterization of PTFE films deposited by Hot Wire CVD // Session report. 16 th Symposium on High Current Electronics and 10 th Conference on Materials Modification. Tomsk, September 19-24, 2010. Tomsk, 2010. P. 500–503.

22. Batrakov A.V., Onischenko S.A., Kurkan I.K., Rostov V.V., Yakovlev E.V., Nefedtsev E.V., Tsygankov R.V. Comparative study of breakdown strength of vacuum insulation in gaps with electron-beam polished electrodes under pulsed DC and microwave electric fields // Proceedings of 28 th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2018. Vol. 1. P. 77–80. http://doi.org/10.1109/deiv.2018.8537014

23. Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E. Use of low-energy, high-current electron beams for surface treatment of materials // Surface and Coatings Technology. 1997. Vol. 96. No. 1. P. 117–122. http://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00093-5

24. Cai J., Lv P., Guan Q., Xu X., Lu J., Wang Z., Han Z. Thermal cycling bechavior of thermal barrier coatings with MCrAlY bond coat irradiated by high-current pulsed electron beam // ACS Applied Materials and Interfaces. 2016. Vol. 47. No. 8. P. 32541–32556. http://doi.org/10.1021/acsami.6b11129

25. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Гришунин В.А., Тересов А.Д., Коновалов С.В. Структура поверхностного слоя и усталостная долговечность рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком // Физическая мезомеханика. 2013. Т. 16. № 2. С. 47–53.

26. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Гришунин В.А., Коновалов С.В. Электронно-пучковая обработка рельсовой стали: фазовый состав, структура, усталостная долговечность // Вопросы материаловедения. 2013. Т. 73. № 1. С. 20–30.

27. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Гришунин В.А., Райков С.В., Коновалов С.В. Масштабные уровни структурно-фазовых состояний и усталостная долговечность рельсовой стали после электронно-пучковой обработки // Успехи физики металлов. 2013. Т. 14. № 1. С. 67–80.

28. Gao B., Hu L., Li S.-W., Hao Y., Zhang Y.-D., Tu G.-F., Grosdidier T. Study on the nanostructure formation mechanism on the hypereutectic Al–17Si alloy induced by pulsed electron beam // Applied Surface Science. 2015. Vol. 346. P. 147–157. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.04.029

29. Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Глезер А.М., Коновалов С.В., Алсараева К.В. Эволюция структуры силумина, подвергнутого обработке высокоинтенсивным импульсным электронным пучком и последующему усталостному нагружению до разрушения // Известия РАН. Серия физическая. 2015. Т. 79. № 9. С. 1169–1172. http://doi.org/10.3103/S1062873815090087

30. Kim J.S., Lee W.J., Park H.W. The state of the art in the electron beam manufacturing processes // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2016. Vol. 17. No. 11. P. 1575–1585. http://doi.org/10.1007/s12541-016-0184-8

31. Иванов Ю.Ф., Итин В.И., Лыков С.В., Марков А.Б., Ротштейн В.П., Тухфатуллин А.А., Дикий Н.П. Структурный анализ зоны термического влияния стали 45, обработанной низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком // Физика металлов и металловедение. 1993. Т. 75. № 5. С. 103–112.

32. Марков А.Б., Ротштейн В.П. Расчет и экспериментальное определение размеров зон упрочнения и отпуска в закаленной стали У7А, облученной импульсным электронным пучком // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1998. № 4. С.83–89.

33. Structure and Properties of Metals at Different Energy Effects and Treatment Technologies. Klimenov V.A., Starenchenko V.A. eds. Switzerland: Trans. Tech. Publications Ltd., 2014. 324 p.

34. Ivanov Yu.F., Zagulyaev D.V., Nevskii S.A., Gromov V.Е., Sarychev V.D., Semin A.P. Microstructure and properties of hypoeutectic silumin treated by high-current pulsed electron beams // Progress in Physics of Metals. 2019. Vol. 20. No. 3. P. 451–490. http://doi.org/10.15407/ufm.20.03.447