СОДЕРЖАНИЕ

Воздействие потоков энергии на материалы

С. Б. Михайлов, С. Г. Горный, Н. В. Жуков

Эффективность абляции металлов сканирующим пучком импульсного излучения

волоконного Yb:YAG лазера наносекундного диапазона длительности................................................................................5

Приведены результаты экспериментов по абляции мишеней из нержавеющей стали и алюминия сканирующим пучком наносекундных импульсов при плотности мощности q = (0,38 – 1,0)·10⁹ Вт/см². Установлено, что перекрывание зон воздействия при облучении поверхности мишени из нержавеющей стали импульсами с интервалом Δt = 50 мкс приводит к увеличению глубины абляции пропорционально площади перекрывания пятен облучения. Это объясняется тем, что с увеличением степени перекрывания пятен облучения на поверхности мишени образуются зоны с бóльшим количеством импульсных воздействий, что увеличивает глубину ванны расплава и приводит к выбросу более крупных частиц. Рост глубины абляции алюминия происходит при увеличении интервала между импульсами до Δt = 10 мс и тем существеннее, чем выше степень перекрывания пятен облучения, при этом меняется форма вылетающих микрочастиц — от сферической, которая характерна для частиц, образующихся из расплава, до неправильной, которая характерна для частиц, образующихся при механическом разрушении вещества мишени внутренней ударной волной. Определено распределение вылетевших микрочастиц по размерам и скоростям и на основе этих данных рассчитаны коэффициенты экранирования лазерного излучения в зависимости от степени перекрывания пятен облучения. Установлено, что основным механизмом падения эффективности абляции сканирующим пучком излучения является обратный поток микрочастиц, оседающих на поверхность мишени. Проведен анализ энергетического баланса процесса абляции алюминия.

Ключевые слова: эффективность лазерной абляции, лазерное сканирование, глубина абляции, микрочастицы, экранирование.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-5-23

Ю. А. Кашлев , С. А. Масляев

Некогерентная диффузия вакансии в одномерной решетке в квазиклассическом приближении ....................................24

Вакансия в одномерной решетке рассматривается как вакантный узел в одномерной цепочке атомов. Энергетическая модель этой системы — двойная потенциальная яма с двумя уровнями. На основе соотношений неравновесной статистической механики, в том числе формулы Кубо для транспортного коэффициента, вычислена частота скачков вакансии. При этом учитываются два фактора возмущения системы — деформация решетки, связанная с образованием пустого узла, и рассеяние фононов на флуктуациях массы в цепочке. Дан анализ двух высокотемпературных скачков. Во-первых, рассмотрен классический предел движения вакансии в условиях слабой связи, при малых значениях градиента потенциала взаимодействия дефекта с цепочкой. Причём в классическом случае переход атома, соседнего с вакансией, осуществляется через квазистационарное возбуждённое состояние. Во-вторых, скачок в условиях сильной связи, когда движение соседнего атома происходит через квазистационарное состояние конечной ширины, а следовательно, имеющее конечное время жизни.

Ключевые слова: миграция вакансии, одномерная решетка неравновесная статистическая теория.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-24-29

Функциональные покрытия и обработка поверхности

С. К. Муканов, А. Е. Кудряшов, М. И. Петржик

Модифицирование поверхности титанового сплава ВТ6, полученного аддитивными

технологиями, путем реакционной электроискровой обработки.......................................................................................30

Используя аддитивные технологии, в частности, селективное электро-лучевое сплавление (СЭЛС), возможно получать изделия высокой степени сложности, сокращая затраты производства при минимизации необходимого количества материала. Однако изделия, полученные методом СЭЛС, характеризуются поверхностными дефектами и высокой шероховатостью поверхности, что ограничивает их применение. Электроискровая обработка (ЭИО) в газовой среде позволяет устранить дефекты и упрочнить поверхностные слои СЭЛС изделий при реакционном фазообразовании, условия которого изучены в работе. Исследована структура и фазовый состав электроискровых слоев, сформированных на образцах ВТ6 при разных режимах обработки легкоплавким околоэвтектическим электродом Al-9Si. Благодаря реакционному фазообразованию при электроискровой обработке был сформирован модифицированный слой толщиной более 10 мкм, содержащий наноразмерные зерна интерметаллидов TixAly. Шероховатость поверхности после ЭИО ниже в несколько раз, а износостойкость выше на порядок по сравнению с исходным СЭЛС образцом из ВТ6. Показано, что электроискровая обработка площади 1 см2 в течение 310 с доэвтектическим электродом Al-9Si с подведенной энергией 47,6 кДж и использованием частоты импульсов 3200 Гц приводит к снижению шероховатости поверхности в ~ 9 раз за счет плазменного выглаживания выступов и заполнения неровностей при растекании капель расплава.

Ключевые слова: аддитивные технологии, селективное электро-лучевое сплавление, реакционное фазообразование, электроискровая обработка, легкоплавкий электрод, шероховатость поверхности, износостойкость.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-30-39

Композиционные материалы

А. М. Айзенштадт, Е. В. Королев, Т. А. Дроздюк, В. Е. Данилов, М. А. Фролова

Возможный подход к оценке дисперсионного взаимодействия в порошковых системах.................................................40

Приведены результаты апробации предложенного авторами алгоритма расчета постоянной Гамакера — как характеристики дисперсионного взаимодействия, определяемой по экспериментальным данным, полученным при исследовании композиции из тонкодисперсных порошков базальта и полиминерального песка. Исходя из ряда допущений, введено понятие аналоговой постоянной Гамакера, являющейся экспериментально определяемой величиной. Данный подход рекомендовано использовать при выборе количественного соотношения порошковых сырьевых материалов в качестве критерия оценки максимально возможного ван-дер-ваальсовского эффекта дисперсионного взаимодействия.

Ключевые слова: композиты, тонкодисперсные порошки, дисперсионное взаимодействие, краевой угол смачивания, постоянная Гамакера, аналоговая величина.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-40-48

В. Н. Соколов, О. В. Разгулина, М. С. Чернов, В. А. Мамаева, А. И. Мамаев,

В. И. Калита, Д. И. Комлев, А. А. Радюк

Макро- и микропористость трехмерных капиллярно-пористых композиционных покрытий........................................49

Выполнен анализ поверхности плазменного трехмерного капиллярно-пористого (ТКП) Ti покрытия с дополнительным биоактивным покрытием гидроксиапатита, сформированным микроплазменным оксидированием (МПО). Растровой электронной микроскопией (РЭМ) анализировали открытую пористость этих композиционных покрытий. Поверхность ТКП Ti покрытия состоит из гребней и впадин. Основная пористость ТКП Ti покрытий сосредоточена в объеме впадин и достигает 43 %. Наличие макро- и микропор с размером 0,08 – 600 мкм делает ТКП Ti покрытия перспективными для применения в ряде областей, в том числе на поверхности внутрикостных имплантатов.

Ключевые слова: трехмерные капиллярно-пористые Ti покрытия, микроплазменное оксидирование, имплантаты, открытая пористость, распределение пор по размерам.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-49-59

Новые методы обработки и получения материалов с заданными свойствами

В. Ф. Горюшкин, Ю. В. Бендре, Н. С. Зайцев

Активация реакции с участием твёрдого металла энергией электростатического заряда на металле...................... 60

Измерены количественные параметры искусственно созданного в химическом реакторе конденсатора электрической энергии, в котором испытуемые образцы являются составной частью внутренней обкладки. Установлены качественные и количественные связи между ними и накопленным запасом электрической энергии металла (титана) в объёме поверхностного слоя, определяемого глубиной проникновения в металл сообщаемого системе извне электростатического заряда; энергией электрического поля в диэлектрике (тетрахлорид углерода) и скоростью коррозии титана в тетрахлориде углерода. Из полученных уравнений следует, что сообщение извне за счёт электростатического заряда титана в поверхностном слое электрической энергии в количестве 50 Дж/моль приводит к увеличению скорости реакции в 2 раза. Проведена аналогия по результату воздействия на образцы между другими нестандартными методами активации химических реакций и сообщением извне электростатического заряда. В связи с этим разрабатываемый способ увеличения внутренней энергии металла в поверхностном слое предлагается назвать электростатической активацией, а реакции — электростатикохимическими.

Ключевые слова: химический реактор с конденсатором электрической энергии, технически чистый титан ВТ1-0 и титановый сплав ВТ6, тетрахлорид углерода, электростатический заряд на металле, электрическая энергия, накапливаемая металлом, молярный показатель газовой коррозии титана, электростатическая активация.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-60-68

А. А. Якушкин

О проблемах создания оболочек ТВЭЛов для толерантного топлива из циркониевых сплавов....................................... 69

В настоящее время активно исследуются три направления создания оболочек ТВЭЛов легководных реакторов, толерантных к воздействию теплоносителя. Это замена циркониевого сплава Э110 на более коррозионно-стойкий в аварийных условиях эксплуатации материал, дисперсионное упрочнение или легирование поверхности циркониевой оболочки ТВЭЛа и нанесение на оболочку ТВЭЛа коррозионно-стойких покрытий. Первое направление предполагает внесение существенных и необратимых изменений в технологию производства ТВЭЛов и имеет долгосрочную перспективу. Второе, напротив, подразумевает минимальные изменения в технологии производства ТВЭЛов, но несущественно влияет на кинетику высокотемпературного окисления оболочек ТВЭЛов в водяных парах. Нанесение коррозионно-стойких покрытий приводит к отсутствию перехода к стадии линейного окисления циркониевых сплавов вследствие сохранения сплошности образующегося в процессе окисления барьерного слоя оксида. В данной работе представлен краткий обзор современного состояния исследований в области создания топлива, толерантного к воздействию теплоносителя в аварийных ситуациях.

Ключевые слова: ТВЭЛ, топливо, теплоноситель, циркониевые сплавы,

высокотемпературное окисление.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-69-78

В. П. Бабаев, С. В. Зайцев, К. А. Иншакова, А. Н. Шайкин

Механическое воздействие электрического поля на элементы наноструктур..................................................................79

Произведена расчетно-экспериментальная оценка величины сил, действующих в электрическом поле высокой напряженности на нано-размерные электропроводные образцы. В зависимости от величины электрического потенциала и вакуумных условий эти силы могут изменяться как по величине, так и направлению в широких пределах. Они могут вызывать разрушение конструкций, а также провоцировать нежелательные электрические разряды. Проанализированы возможности полезного применения указанных эффектов.

Ключевые слова: электрическое поле, наноструктура, электрический потенциал, механическое воздействие.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-3-79-82

Памяти Александра Сергеевича Илюшина...........................................................................................................................83