СОДЕРЖАНИЕ

Воздействие потоков энергии на материалы

В.Н. Попов

Моделирование кристаллизации модифицированного наноразмерными частицами расплава

при лазерной обработке поверхности металла......................................................................................................................5

Предложена 2D математическая модель модифицирования тугоплавкими наноразмерными частицами сплава на основе железа. Проведено численное моделирование процессов при модифицировании поверхностного слоя металла подложки с использованием энергии лазерного импульса. В рамках предложенной модели рассмотрены процессы разогрева и плавления металла на подложке, покрытой слоем наноразмерных тугоплавких частиц, проникающих в расплавленный металл, конвективного теплопереноса в расплаве и затвердевания после окончания импульса. Плавление металла рассматривается в приближении Стефана, а при охлаждении расплава используется модель гетерогенного зародышеобразования и последующей кристаллизации. Течение жидкости описывается уравнениями Навье-Стокса в приближении Буссинеска. Распределение наночастиц в расплаве моделируется перемещением маркеров. По результатам расчетов определен режим импульсного лазерного воздействия, при котором формируется течение для гомогенного распределения частиц модифицирующего вещества при наличии в металле поверхностно-активного вещества. Объем твердой фазы, образовавшейся вокруг зародыша, определяет размер зеренной структуры в затвердевшем сплаве. Температура ликвидуса изменяется в зависимости от концентрации растворенного углерода в расплаве. При численном моделировании затвердевания поверхностного слоя металла установлено, что условия зародышеобразования и кристаллизации существенно различаются в объеме расплава. Определено, что продолжительность зародышеобразования в переохлажденном расплаве составляет несколько десятков микросекунд. Максимальное количество центров кристаллизации возникает в областях, где отвод тепла происходит наиболее быстро. При росте твердой фазы в расплаве и выделении скрытой теплоты кристаллизации величина переохлаждения снижается, зародышеобразование прекращается и число образовавшихся центров кристаллизации далее не меняется. Получена оценка распределения дисперсности кристаллической структуры по объему проплавленного металла. Установлено, что по мере охлаждения расплава происходит последовательно-объемная кристаллизация.

Ключевые слова: численное моделирование, импульсное лазерное излучение, модифицирование металла, наноразмерные тугоплавкие частицы, гетерогенное зародышеобразование, кристаллизация, сплав на основе железа.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-5-14

Ю.Р. Колобов, А.Е. Лигачев

Свойства поверхности конструкционных материалов в области штрих-кода, сформированного

под воздействием лазерного излучения...................................................................................................................................15

Обзор исследований изменения структуры и свойств поверхности и приповерхностных слоев различных материалов (сталей, металлических сплавов, керамики и графита) при нанесения штрих-кодов непрерывным лазерным излучением и короткими (наносекундными) и ультракороткими (фемто- и пикосекундными) лазерными импульсами.

Ключевые слова: рельеф поверхности, нано- и фемтосекундное импульсное лазерное излучение, металлы, керамика, графит, штрих-код.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-15-24

П.Ю Кикин, В.Н. Перевезенцев, Е.Н. Разов, Е.Е. Русин

Термохимические процессы, происходящие в TiN покрытии под действием тепловых

лазерных импульсов .................................................................................................................................................................25

Исследованы термохимические процессы в TiN покрытии, нанесенном на стальную подложку, при циклическом облучении лазерными импульсами. Установлено, что сгорание покрытия в облученных областях происходит пространственно неоднородно вследствие неравномерного распределения в покрытии микрообластей, состоящих из соединений нитрида титана с различной стехиометрией. Показано, что внутри покрытия происходят реакции диссоциации различных соединений нитрида титана с выделением свободного азота. В результате соотношение массовых долей соединений нитрида титана с различной стехиометрией изменяется по сравнению с исходным покрытием. Диффузия азота в стальную подложку приводит к образованию нитрида железа.

Ключевые слова: TiN покрытие, импульсное лазерное воздействие, элементный состав, термохимические процессы, стехиометрия.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-25-30

И.А. Бакулин, С.И. Кузнецов, А.С. Панин, Е.Ю. Тарасова

Лазерная ударная обработка сплава АМг6 без защитного покрытия...............................................................................31

Изучены структура и напряженное состояние сплава АМг6 после лазерной ударной обработки без защитного покрытия. Методом послойного рентгеноструктурного анализа показана корреляция между параметрами кристаллической структуры и профилем остаточных напряжений обработанных образцов. После лазерного воздействия размеры областей когерентного рассеяния на поверхности материала уменьшаются до 50 нм, величина микродеформаций возрастает до 0,0019, а средняя плотность дислокаций

увеличивается до 4,7·1014 м–2. Профиль и глубина остаточных сжимающих напряжений зависят от плотности мощности, коэффициента перекрытия зон лазерного воздействия и кратности обработки, достигая 2 мм.

Ключевые слова: лазерная ударная обработка, пластическая деформация, дислокации,остаточные напряжения, алюминиевые сплавы.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-31-39

Плазмохимические способы получения и обработки материалов

В.И. Шиманский, А. Евдокимовс, В.В. Углов, Н.Н. Черенда,

В.М. Асташинский, А.М. Кузьмицкий, Н.В. Бибик, Е.А. Петрикова

Модификация структуры заэвтектического силуминового сплава Al-44Si

при воздействии компрессионных плазменных потоков....................................................................................................... 40

Представлены результаты исследования микроструктуры, элементного и фазового состава заэвтектического силуминового сплава, содержащего 44 ат. % Si, после высокоэнергетического воздействия с помощью компрессионных плазменных потоков. С помощью растровой электронной и оптической микроскопии показано, что при увеличении плотности поглощенной энергии плазменного потока, обеспечивающей плавление приповерхностного слоя, происходит измельчение как структурных составляющих эвтектической смеси Al-Si, так и первичных кристаллитов кремния. В результате плазменного воздействия удалось диспергировать первичные кристаллиты кремния до 300 нм, что является результатом высокоскоростной кристаллизации расплава, гомогенизированного гидродинамическим перемешиванием.

Ключевые слова: заэвтектические силуминовые сплавы, компрессионные плазменные

потоки, модифицирование микроструктуры, фазовый состав, плавление.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-40-50

Композиционные материалы

И.А. Ершов, В.И. Пустовой, В.И. Красовский, А.Н. Орлов, С.И. Расмагин, Л.Д. Исхакова,

Ф.О. Милович, М.Н. Кириченко, Л.Л. Чайков, Е.А. Константинова

Синтез и свойства наночастиц карбида кремния, полученных методом лазерного пиролиза.........................................51

Определены условия синтеза наночастиц карбида кремния в газовой смеси SiH4/C2H2/Ar/He под действием излучения СO2 лазера с длиной волны 10,6 мкм. Установлено, что лазерный синтез частиц SiC наблюдается при соотношении потоков газов SiH4/C2H2 в интервале 1,6-3,2. Температура в области зоны реакции составляла ~1400-1500°C. Получены наночастицы карбида кремния диаметром ~6 нм и исследован их состав.

Ключевые слова: наночастицы карбида кремния, спиновое состояние, лазерный пиролиз,синтез наночастиц.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-51-57

А.А. Васильев, Э.Л. Дзидзигури, М.Н. Ефимов, Д.Г. Муратов, Г.П. Карпачева

Формирование металл-углеродных нанокомпозитов

на основе наночастиц сплава Cu-Fe и карбонизированного полиакрилонитрила..............................................................58

Предложен способ получения наночастиц биметаллической системы Cu-Fe с ограниченной взаимной растворимостью компонентов. Метод синтеза заключается в одностадийном процессе ИК-пиролиза прекурсоров в виде пленок, полученных из совместного раствора полиакрилонитрила и гидратов нитратов железа и меди. Исследовано влияние температуры синтеза на формирование структуры нанокомпозитов и фазового состава биметаллических наночастиц Cu-Fe, диспергированных в углеродной матрице. Анализ показал одновременное присутствие в нанокомпозитах фаз Fe и Cu, предположительно с небольшой взаимной растворимостью компонентов. Средний размер частиц составляет 14-17 нм и с повышением температуры синтеза от 400 до 700°С изменяется незначительно. Повышение температуры синтеза до 800°С приводит к уширению распределения частиц по размерам и увеличению среднего размера. Обнаружено формирование сложных углеродных наноструктур на наночастицах Cu-Fe.

Ключевые слова: наночастицы Cu-Fe, полиакрилонитрил, нанокомпозит, ИК-пиролиз.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-58-66

Новые методы обработки и получения материалов с заданными свойствами

В.С. Юсупов, С.И. Тютюнников, В.А. Артюх, Т.Л. Еник, В.А. Зеленский, В.Н. Шаляпин,

Р.С. Фахуртдинов, С.Д. Карпухин, Е.А. Фролова, Б.Ф. Белелюбский

Высокоборированный дисперсный алюминий: экспериментальная оценка

его нейтронно-экранирующих свойств.................................................................................................................................. 67

Методом механического легирования, компактирования и термосинтеза смеси порошков аморфного бора и алюминия получен прототип высокоборированного (~50 масс.%) дисперсного боралюминия. Проведены сравнительной оценки нейтроно-экранирующих свойств борированного дисперсного алюминия и волокнистого боралюминия ВКМ Al-B при облучении нейтронами с плотностью потока 1,4·106 н/cм² с флюенсом 3·109 н/см2. С использованием оптической и сканирующей электронной микроскопии проведен морфологический анализ образцов дисперсно-борированного порошкового алюминия и волокнисто-композиционного боралюминия. Установлено, что в обоих материалах уровень поглощения нейтронов с энергией 0,02-0,05 эВ составляет до 99,5-99,95%. Сделан вывод, что высокоборированный дисперсный боралюминий дополняет линейку известных борсодержащих нейтроно-поглощающих материалов с возможностью его использования до температур 500-700°С.

Ключевые слова: дисперсный и волокнистый бороалюминий, механическое легирование, термосинтез, поглощение тепловых нейтронов.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-67-72

К.С. Филиппов

Влияние примесей кислорода и висмута на структурные и физико-химические свойства расплавов никеля................ 73

В литературе практически отсутствуют данные о совместном влиянии примесей кислорода и висмута на структурные и физико-химические свойства расплавов никеля или жаропрочных сплавов на его основе. В представленной работе рассмотрено состояние расплавов чистого никеля и никеля, содержащего (0,005-0,01) висмута и кислорода, в процессе рафинирования от примесей кислорода и висмута. Изучено влияние этих примесей на структурные и физико-химические свойства, которое оценивали по параметрам плотности и поверхностного натяжения расплавов. В расплавах никеля с висмутом и кислородом наблюдался компрессионный эффект и отрицательное отклонение от закона Рауля. Обнаружен эффект увеличения поверхностного натяжения расплава никеля, содержащего кислород, при увеличении концентрации висмута, что соответствует изотерме десорбции избытка вещества с поверхности в объем.

Ключевые слова: расплавы системы Ni-Bi-O, плотность, компрессия, поверхностное натяжение, адсорбция.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-1-73-83