Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

Фазообразование в высокохромистой стали в условиях электронно-ионно-плазменной обработки

Ю.Ф. Иванов1, А.А. Клопотов2, И.В. Лопатин1, О.В. Иванова2, Е.А. Петрикова1, М.С. Петюкевич1, Е.Л. Никоненко3

1 ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
2 ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
3 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.609

Оригинальная статья

Аннотация: Осуществлено поверхностное легирование методом одноциклового и многоциклового (5 циклов «напыление-облучение» в каждом цикле толщина пленки титана 0,5 мкм) высокоскоростного плавления системы «пленка (Ti)/(сталь 20X23H18) подложка» импульсным электронным пучком. Азотирование (793 К; 1, 3 и 5 час.) проводили в условиях реализации элионного (электронного и ионного) режима обработки. Рассмотрены изотермические сечения тройных систем диаграммы
состояния сплава Cr – Fe – Ni – Ti – N, формирующегося на различных стадиях комплексной обработки стали. Исследования показали, что, во-первых, облучение стали импульсным электронным пучком сопровождается формированием структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации твердого раствора на основе γ – Fe; во-вторых, азотирование стали в исходном состоянии сопровождается формированием нитридов железа Fe4N и хрома CrN суммарным содержанием 79,8 масс.%; в-третьих, предварительное облучение стали импульсным электронным пучком приводит к снижению скорости нитридообразования при последующем азотировании; суммарное содержание нитридов 53 масс.%; в-четвертых, независимо от количества циклов легирования (концентрации титана в поверхностном слое) после пяти часов азотирования в образцах формируется поверхностный слой, образованный нитридами хрома и железа (1 цикл легирования) или нитридами хрома и титана (5 циклов легирования).

Ключевые слова: комплексная электронно-ионно-плазменная обработка, нагревание образцов электронной компонентой плазмы, высокохромистая сталь, поверхностное легирование, фазовый состав

  • Иванов Юрий Федорович – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Клопотов Анатолий Анатольевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры «Прикладной механики и материаловедения», ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
  • Лопатин Илья Викторович – к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Иванова Ольга Викторовна – к.ф.-м.н., доцент кафедры «Высшая математика», ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
  • Петрикова Елизавета Алексеевна – младший научный сотрудник, ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Петюкевич Мария Станиславовна – к.т.н., научный сотрудник, ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН»
  • Никоненко Елена Леонидовна – к.ф.-м.н., старший преподаватель отделения естественных наук Школы базовой инженерной подготовки, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Ссылка на статью:

Иванов, Ю.Ф. Фазообразование в высокохромистой стали в условиях электронно-ионно-плазменной обработки / Ю.Ф. Иванов, А.А. Клопотов, И.В. Лопатин, О.В. Иванова, Е.А. Петрикова, М.С. Петюкевич, Е.Л. Никоненко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 609-620. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.609.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Ротштейн, В.П. Модификация поверхностных слоёв металлических материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками / В.П. Ротштейн, Д.И. Проскуровский, Г.Е. Озур, Ю.Ф. Иванов. – Новосибирск: Наука, 2019. – 347 с.
2. Surface alloys and alloys surfaces // In: The Chemical Physics of Solid Surfaces. V. 10; ed. by D.P. Woodruff. – Warwick, Elsevier Science, 2002. – 552 p.
3. Woodruff, D.P. Some structural issues in surface alloys and alloy surfaces: rumpling, stacking faults and disorder / D.P. Woodruff, J. Robinson // Applied Surface Science. – 2003. – V. 219. – I. 1-2. – P. 1-10. DOI: 10.1016/s0169-4332(03)00627-5.
4. Draper, C.W. Laser surface alloying / C.W. Draper, J.M. Poate. // International Metals Reviews. – 1985. – V. 30. – I. 1. – P. 85-108. DOI: 10.1179/imtr.1985.30.1.85.
5. Blanco-Pinzon, C. Excimer laser surface alloying of titanium with nickel and palladium for increased corrosion resistance / C. Blanco-Pinzon, Z. Liu, K. Voisey et al. // Corrosion Science. – 2005. – V. 47. – I. 5. – P. 1251-1269. DOI: 10.1016/j.corsci.2004.06.030.
6. Pogrebnjak, A.D. Mixing of Ta-Fe and Mo-Fe systems using a low-energy, high-current electron beam / A. Pogrebnjak, O.G. Bakharev, V. Sushko et al. // Surface and Coatings Technology. – 1998. – V. 99. – I. 1-2. – P. 98-110. DOI: 10.1016/s0257-8972(97)00416-7.
7. Ротштейн, В.П. Синтез поверхностных сплавов на основе Ti3Al и TiAl путём импульсного электронно-пучкового плавления системы Al(плёнка)/Ti(подложка) / В.П. Ротштейн, Ю.Ф. Иванов, Ю.А. Колубаева и др. // Письма в журнал технической физики. – 2011. – Т. 37. Вып. 5. – С. 72-80.
8. Yakovlev, E.V. Adhesive strength of Ni–Cu surface alloy formation by low-energy high-current electron beam / E.V. Yakovlev, A.В. Markov, D.A. Shepel et al. // Russian Physics Journal. – 2021. – V. 63. – I. 10. – P. 1804-1809. DOI: 10.1007/s11182-021-02237-1.
9. Асташинский, В.М. Модификация титана при воздействии компрессионными плазменными потоками / В.М. Асташинский, В.В. Углов, Н.Н. Черенда, В.И. Шиманский. – Минск: Беларуская навука, 2016. – 179 с.
10. Cherenda, N.N. Modification of Ti-6Al-4V alloy element and phase composition by compression plasma flows impact / N.N. Cherenda, A.V. Basalai, V.I. Shymanski et al. // Surface & Coatings Technology. – 2018. – V. 355. – P. 148-154. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.048.
11. Meletis, E.I. Intensified plasma-assisted processing: science and engineering / E.I. Meletis // Surface and Coatings Technology. – 2002. – V. 149. – I. 2-3. –P. 95-113. DOI: 10.1016/s0257-8972(01)01441-4.
12. Wei, R. High intensity plasma ion nitriding of AerMet 100 martensitic steel / R. Wei, C.R. Benn, C.V. Cooper // Plasma Processes and Polymers. – 2007. – V. 4. – I. S1. – P. S700-S706. DOI: 10.1002/ppap.200731801.
13. Yeo, S. Synthesis of plasma-nitrided Cr coatings on HT9 steel for advanced chemical barrier property in a nuclear cladding application / S. Yeo, C.L. Lee, H.S. Yoon, J.H. Kim // Applied Surface Science. – 2022. – V. 579. – Art. № 152133. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.152133
14. Godec, M. The influence of the plasma-nitriding temperature on the microstructure evolution and surface properties of additive-manufactured 18Ni300 maraging steel / M. Godec, F. Ruiz-Zepeda, B. Podgornik et. al. // Surface and Coatings Technology. – 2022. – V. 433. – Art. № 128089. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128089.
15. Akhmadeev, Y.H. Electron–ion–plasma modification of carbon steel / Y.H. Akhmadeev, Y.F. Ivanov, O.V. Krysina et al. // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2021. – V. 25. – I. 1. – Р. 47-55. DOI: 10.1615/HighTempMatProc.2021038031.
16. Ivanov, Y. Elion method of nitriding of high-chromium stainless steel: Structure and properties / Y. Ivanov, I. Lopatin, Y. Denisova et al. // Proceedings of the 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), 14-26 September 2020, Tomsk, Russia. – Tomsk, Institute of High Current Electronics, 2020. – Р. 783-787. DOI: 10.1109/efre47760.2020.9241927.
17. Курдюмов, В.Г. Превращения в железе и стали / В.Г. Курдюмов, Л.М. Утевский, Л.М. Энтин. – М.: Наука, 1977. – 236 с.
18. Клопотов, А.А. Термодинамический анализ фазообразования в нержавеющей стали, обработанной высокоинтенсивным импульсным электронным пучком / А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов, В.А. Власов, А.И. Потекаев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2016. – Вып. 8. – С. 155-163.
19. Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / под. ред. Н.Н. Коваля, и Ю.Ф. Иванова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 304 с.
20. Иванов, Ю.Ф. Комбинированный метод диффузионного насыщения стали азотом / Ю.Ф. Иванов, Ю.А. Денисова, Е.А. Петрикова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2018. – Вып. 10. – С. 304-312. DOI: 10.26456/pcascnn/2018.10.304.
21. Клопотов, А.А. Структурно-фазовые состояния поверхностного слоя сплава Al-Si после электронно-ионно-плазменной обработки / А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур инаноматериалов. – 2014. – Вып. 6. – С.162-170.
22. Клопотов, А.А. Образование MAX-фаз электронно-ионно-плазменными методами / А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов, А.Д. Тересов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур инаноматериалов. – 2017. – Вып. 9. – С. 236-244. DOI: 10.26456/pcascnn/2017.9.236.
23. Клопотов, А.А. Насыщение поверхности стали титаном и бором электронно-ионно-плазменным методом: фазово-структурный состав / А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 605-614. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.605.
24. Иванов, Ю.Ф. Структура и свойства поверхностного слоя высокохромистой аустенитной стали, борированной комплексным электронно-ионно-плазменным методом / Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова, А.Д. Тересов, О.С. Толкачев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 596-604. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.596.
25. Лякишев, Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т. / Н.П. Лякишев, О.А. Банных, Л.Л. Рохлин и др.; под общей ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1997. – Т. 2. – 1024 с.
26. Lee, B.-J. A. Thermodynamic Evaluation of the Fe-Cr-Ni System / B.-J. Lee, D.N. Lee // Journal of Phase Equilibria. – 1992. – V. 13. – I. 4. – Р. 349-364. DOI: 10.1007/bf02674980.
27. Holleck, H. Holleck H. Binaere und ternaere carbide und nitride der uebergangsmetalle und ihre phasenbeziehungen / H. Holleck. – Karlsruhe, Kernforschungszentrum GmbH, 1981. – 353 p. (In German).
28. Raghavan, V. Cr-Fe-N (chromium-iron-nitrogen) / V. Raghavan // Journal of Phase Equilibria. – 1993. – V. 14. – I. 5. – P. 625-626. DOI: 10.1007/bf02669149.
29. Ерошенкова, И.Г. Диаграммы состояния металлических систем, опубликованные в 1981 году / И.Г. Ерошенкова, А.М. Захаров, В.Г. Оленичева; под ред. Н.В. Агеева, Л.А. Петровой. – М.: ВИНИТИ, 1983. – 299 с.
30. Duarte, L.I. Experimental study of the Fe–Ni–Ti system / L.I. Duarte, U.E. Klotz, C. Leinenbach et al. // Intermetallics. – 2010. – V. 18. – I. 3. – P. 374-384. DOI: 10.1016/j.intermet.2009.08.008.
31. Raghavan, V. The Cr-Fe-Ti (chromium-iron-titanium) system / V. Raghavan // In: Phase Diagrams of Ternary Iron Alloys. Part 1. – Materials Park, OH: ASM International, 1987. – P. 43-54.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒