Поверхностная топология энтропии смешения в результате двухимпульсной лазерной абляции нержавеющей стали
Д.Д. Тумаркина1, О.Я. Бутковский1, А.В. Болачков1, А.А. Бурцев2
1 ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
2 Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН – филиал ФГУ «ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.869
Оригинальная статья
Аннотация: В работе представлены эксперименты по кристаллизации из расплава с анализом морфологии возникающих кристаллических структур, показаны примеры возникновения сложных дендритных кристаллов. С помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа проведены исследования микроэлементного анализа областей воздействия двух импульсного лазерного излучения на поверхности нержавеющей стали для параметров облучения, соответствующих появлению в области воздействия дендритных структур. Показано, что именно в областях дендритов происходит выравнивание концентраций всех компонентов нержавеющей стали марки AISI 304. Оценки энтропии смешения по экспериментальным данным показали, что в области поверхностных дендритов или их скоплений поверхностная энтропия смешения соответствует по своему значению высокоэнтропийному сплаву. Исходя из принципа максимального производства энтропии проведен расчет температуры фазового перехода. Несмотря на то, что дендритная кристаллизация должна снижать энтропию системы, эксперименты демонстрируют, что энтропия сплава возрастает. Предварительно можно сделать заключение, что этот процесс связан с высоким содержанием кислорода в области формирования дендритных кристаллов после лазерного воздействия. Приведенные в работе результаты позволяют сделать вывод, что формирование структур со сложной морфологией происходит после термоокислительной абляции.
Ключевые слова: двухимпульсная лазерная абляция, дендритные кристаллы, высокоэнтропийные сплавы, энтропия смешения, энтропийная проводимость
- Тумаркина Дарья Денисовна – аспирант 4 года обучения кафедры физики и прикладной математики Института прикладной математики, физики и информатики, ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
- Бутковский Олег Ярославович – д.ф.-м.н., профессор кафедры физики и прикладной математики Института прикладной математики, физики и информатики, ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
- Болачков Аркадий Валерьевич – аспирант 3 года обучения кафедры физики и прикладной математики Института прикладной математики, физики и информатики, ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
- Бурцев Антон Андреевич – научный сотрудник лаборатории Нанофотоники и наноплазмоники , Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН – филиал ФГУ «ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН»
Ссылка на статью:
Тумаркина, Д.Д. Поверхностная топология энтропии смешения в результате двухимпульсной лазерной абляции нержавеющей стали / Д.Д. Тумаркина, О.Я. Бутковский, А.В. Болачков, А.А. Бурцев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 869-878. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.869.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Handbook of laser welding technologies / ed. S. Katayama // Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. – Oxford, Cambridge, Philadelphia, New Delhi: Woodhead Publishing Limited, 2013. – 654 p.
2. Toyserkani, E. Laser cladding / E. Toyserkani, A. Khajepour, S. Corbin. – Boca Raton, London, New York, Washington: CRC Press, 2005. – 263 p. DOI: 10.1201/9781420039177.
3. Завестовская, И.Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов / И.Н. Завестовская // Квантовая электроника. – 2010. – Т. 40. – Вып. 11. – C. 942-954.
4. Марукович, Е.Н. Наноструктурная кристаллизация металлов / Е.Н. Марукович, В.Ю. Стеценко, А.В. Стеценко // Литьё и металлургия. – 2021. – Вып. 2. – С. 23-26. DOI: 10.21122/1683‑6065‑2021‑2‑23‑26.
5. Kirkpatrick, R.J. Crystal growth from the melt: a review / R.J. Kirkpatrick // American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials. – 1975. – V. 60. – №. 9-10. – P. 798-814.
6. Вайнгард, У. Введение в физику кристаллизации металлов / У. Вайнгард; пер. с англ. О.В. Абрамова, под ред. Я.С. Уманского. – М.: Мир, 1967. – 170 с.
7. Брылкин, Ю.В. Соотношение фрактальной размерности и различной шероховатости для образцов меди / Ю.В. Брылкин, А.Л. Кусов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур инаноматериалов. – 2013.– Вып. 5. – С. 33-38.
8. Брылкин, Ю.В. Исследование зависимости физических свойств поверхности от фрактальной размерности / Ю.В. Брылкин, А.Л. Кусов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2015. – Вып. 7. – C. 142-149.
9. Бавыкин, О.Б. Взаимосвязь свойств поверхности и ее фрактальной размерности / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. – 2013. – Т.2. – № 1(15). – C. 14-18.
10. Андреева, Л.В. Закономерности кристаллизации растворенных веществ из микрокапли / Л.В. Андреева, А.С. Новоселова, П.В. Лебедев-Степанов и др. // Журнал технической физики. – 2007. – Т. 77. – № 2. – C. 22-30.
11. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В, Иванов. – Тверь: ТвГУ, 2019. – 168 с.
12. Антонов, А.С. Исследование фрактальных свойств наноразмерных пленок золота, серебра и меди: атомно-силовая и туннельная микроскопия / А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков, Д.В. Иванов и др. // Химическая физика и мезоскопия. – 2017. – Т. 19. – № 3. – С. 473-486.
13. Novontny, L. Principles of nano-optics / L. Novotny, B. Hecht; 2nd ed. – Cambridge: Cambridge University Press, 2006. – 539 p.
14. Климов, В.В. Наноплазмоника / В.В. Климов. – М: Физмалит, 2010. – 480 с.
15. Краснок, А.Е. Оптические наноантенны / А.Е. Краснок, И.С. Максимов, А.И, Денисюк и др. // Успехи физических наук. – 2013. – V. 183. – Вып. 6. – С. 561-589. DOI: 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.
16. Каблов, Е.Н. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных и интерметаллидных сплавов с монокристаллической структурой / Е.Н. Каблов, Ю.А. Бондаренко, А.Б. Ечин и др. // Вестник Московского государственного технического университета им. НЭ Баумана. Серия «Машиностроение». – 2011. – № S2. – С. 20-25.
17. Антонов, Д.Н. Распределение дендритов, получаемых на поверхности стали в результате воздействия лазерного излучения / Д.Н. Антонов, А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский // Журнал технической физики. – 2016. – T. 86. – Вып.1. – С.110-115.
18. Бурцев, А.А. Экспериментальные исследования условий формирования дендритных кристаллов на поверхности металлов лазерным излучением / А.А. Бурцев, Е.М. Притоцкий, А.П. Притоцкая и др. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2019. – Т. 19. – Вып. 1.
19. Панченкова, Ю.А. Исследование факторов, определяющих дисперсность дендритных структур сталей / Ю.А. Панченкова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. – 2012. – Т. 1. – Вып. 8. – С. 126-127.
20. Бурцев, А.А. Исследование процесса образования фрактального кристалла / А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский, А.В. Сагитова и др. // ХII Всероссийская конференция молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», Саратов, 5-7 сентября 2017: тезисы докладов. – Саратов: Изд-во «Техно-Декор», 2017. – С. 22-24.
21. Ишина, Е.А. Неравновесная кристаллизация. Кинетика кристаллизации сплавов / Е.А. Ишина, Н.Н. Кудряшова, О.В. Маслова. – Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2021. – 96 с.
22. Спивак, Л.В. Особенности полиморфных превращений в железе и цирконии / Л.В. Спивак, Н.Е. Щепина // Журнал технической физики. – 2020. – Т. 90. – Вып. 7. – С. 1145-1150. DOI: 10.21883/JTF.2020.07.49449.381-19.
23. Wang, S. Atomic structure modeling of multi-principal-element alloys by the principle of maximum entropy / S. Wang // Entropy. – 2013. – V. 15. – I. 12. – P. 5536-5548. DOI: 10.3390/e15125536.
24. Бурцев, А.А. Анализ кристаллических структур на поверхности нержавеющей стали / А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 107-114. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.107
25. Волков, А.В. Термоокислительная деструкция пленок молибдена при лазерной абляции / А.В. Волков, Н.Л. Казанский, О.Ю. Моисеев, С.Д. Полетаев // Журнал технической физики. – 2015. – Т. 84. – Вып. 2. – С. 107-111.
26. Николис, Г. Познание сложного: Введение / Г. Николис, И.Р. Пригожин. – М.: Ленанд, 2014. – 355 с.
27. Мартюшев, Л.М. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях / Л.М. Мартюшев, В.Д. Селезнёв. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. – 83 с.
28. Майсурадзе, М.В. Структурообразование при непрерывном охлаждении экспериментальных машиностроительных сталей / М.В. Майсурадзе, М.А. Рыжков, А.А. Куклина, О.А. Сурнаева // XVII международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых. Ч. 1. – Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2016. – 2016. – Т. 1. – №. 17. – С. 131-135.
29. Халенов, О.С. Термодинамические аспекты электрической проводимости кристаллов и твердых растворов / О.С. Халенов, В.М. Юров, М.В. Коровкин // Фундаментальные исследования. – 2014. – №. 6-7. – С. 1384-1388.