Перераспределение элементов в сплавах при облучении пучком электронов средних энергий

В твердых телах в результате облучения протекают процессы, которые могут привести к структурным изменениям, к перераспределению элементов и образованию неравновесных фаз. В некоторых случаях возможно использование этих процессов для создания необходимой кристаллической структуры и состава в поверхностных слоях, что уже используется в процессах ионного легирования [⁸⁶]. Одним из перспективных методов радиационной обработки является воздействие пучками электронов средних энергий (110МэВ), который имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими видами обработки высокоэнергетичными заряженными частицами. В качестве преимуществ данного метода следует отметить: значительную глубину проникновения электронов (несколько миллиметров); относительную простоту генерации электронного пучка и управления его параметрами; отсутствие наведенной радиоактивности в материале после облучения.

Значительный интерес в плане создания неравновесных фаз в локальных областях изделий, которые регламентируют эксплуатационные свойства, представляют процессы радиационно-стимулированной диффузии в условиях облучения пучками электронов [⁸⁷].

1.2.4 Структурно-фазовые превращения при электронном облучении

Обработка материалов электронными пучками весьма привлекательна как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, поскольку позволяет: во-первых, за счет импульсного плавления растворять частицы вторых фаз и за счет сверхбыстрой (~10⁹ К/с) закалки из жидкого состояния формировать за счет внутренних напряжений в тонких поверхностных слоях неравновесные структурно-фазовые состояния с плавным переходом к матрице; во-вторых, формировать высококонцентрированные поверхностные сплавы при импульсном плавлении систем пленка-подложка; в-третьих, обеспечить за счет указанных выше факторов улучшение ряда поверхностно-чувствительных характеристик материала [7].

Поле температуры локализовано в зоне теплового влияния, толщина которой не превышает нескольких десятков микрометров. На Рис. 2 приведены зависимости температуры поверхности Fe мишени от времени для режима начального плавления (4 Дж/см²) и заметного испарения (12 Дж/см²) соответственно. Видно, что скорости нагрева и охлаждения достигают значений ~10¹⁰ и 10⁹ К/с соответственно [7].

Рис. 2. Зависимости температуры поверхности Fe мишени от времени для режима 1 – начального плавления (4 Дж/см²) и 2 – испарения (12 Дж/см²).

Импульсного плавление поверхностей сплавов под действием электронного облучения способствует формированию однофазной микроструктуры (-фаза) и обеспечивает повышению их электрическую прочности, следовательно: увеличению выносливости; циклическую долговечность; кратковременную прочность; повышенную износостойкость твердых сплавов на основе титана, железа, вольфрама [7].

В статье [9] представлены результаты экспериментальных исследований градиентной структуры и фазового состава стали 38ХНЗМФА, облученной электронным пучком микросекундной длительности: профили нано- и микротвердости; гистограмма скола; фазовые гистограммы и таблицы.

В статье [10] представлены результаты экспериментальных исследований зависимости нанотвердости поверхности сплава на основа карбида титана TiC-(Ni-Cr) структурированной электронно-пучковым облучением. Представлены зависимости величин нанотвердости Н и коэффициента трения μ на поверхности металлокерамического сплава от длительности импульсов облучения сплава Рис. 3. Явная нелинейность этих зависимостей связана с образованием микротрещин.

Рис. 3. Зависимости величин нанотвердости Н (а) и коэффициента трения μ (б) на поверхности металлокерамического сплава от длительности импульсов облучения сплава.