Томские ученые применили синхротронный метод для исследования процесса фазовых превращений во время облучения электронным пучком

Коллектив ученых из Томского научного центра СО РАН, Института физики прочности и материаловедения им. В.Е. Панина СО РАН, Института сильноточной электроники СО РАН и ЦКП «СКИФ» с помощью метода синхротронной рентгеновской дифракции в режиме реального времени изучил эволюцию фазовых превращений в многослойной системе бор-титан при импульсном облучении электронным пучком. Исследование открывает фундаментальную основу для перехода от эмпирического подбора режимов обработки к рациональному проектированию поверхностных композитов с заданными свойствами.

Синхротронная рентгеновская дифрактометрия позволяет производить мониторинг структуры в режиме in situ, регистрируя изменения кристаллической структуры образца после каждого импульса воздействия электронного пучка. Когда в распоряжении ученых не было такого эффективного инструмента, приходилось делать много отдельных образцов под каждый режим, что долго и дорого. Теперь же в «ускоренном режиме» можно быстро обработать образцы в широком диапазоне параметров (режимов) воздействия непосредственно во время опыта, увидеть динамику фазообразования и выбрать оптимальный режим для получения нужной структуры и, соответственно, свойств покрытия (твердость, износостойкость, пластичность), – отметил заведующий лабораторией перспективных технологий ТНЦ СО РАН Евгений Яковлев.

В ходе эксперимента на специальном стенде, который совмещает синхротронный источник и импульсный электронный пучок, сериями импульсов облучали многослойную структуру из титана и гексаборида лантана, нанесенную на титановую подложку. После каждого импульса с помощью дифракции синхротронного излучения фиксировали, какие фазы присутствуют в материале в данный момент. При этом плотность энергии импульсного электронного пучка изменялась от минимальных значений до максимальных. Результаты эксперимента выявили четыре сценария эволюции исследуемой системы в зависимости от плотности энергии. Иными словами, словно был создан своего рода «путеводитель» по фазовому составу поверхностного слоя.

Каждый сценарий описывает возможные варианты плавления многослойной структуры и подложки и определяет конечный фазовый и элементный состав поверхности. В режиме с самой низкой энергией, когда материал не плавится, но нагревается, происходят процессы рекристаллизации и снятия внутренних напряжений. Он может подойти в том случае, когда структуру нужно оставить прежней, но произвести отжиг.

При повышении плотности энергии пучка наблюдается второй сценарий, когда происходит плавление исключительно нанесенных слоев покрытия, и за счет взаимодействия бора из гексаборида лантана с титаном формируются боридные фазы (диборид титана). Этот режим может быть востребован там, где требуется максимальная твердость и износостойкость.

При третьем сценарии плотность энергии возрастает настолько, что начинает плавиться и титановая подложка. Титан из подложки поступает в расплав, «разбавляя» его. Концентрация бора снижается, и вместо диборида титана (TiB2) начинает формироваться менее боронасыщенная фаза (TiB). В этом случае состав расплава определяется уже не только покрытием, но и подложкой. Эти режимы представляют интерес, если необходим оптимальный баланс между твердостью и пластичностью материала.

Наконец, когда плотность энергии достигает пиковых значений, фиксируется обширное плавление подложки. Равновесные бориды растворяются, а сверхбыстрая закалка приводит к формированию неравновесной фазы титана, которая обладает уникальными свойствами.

Проведенное исследование продемонстрировало возможность целенаправленно получать материалы с нужными эксплуатационными характеристиками под конкретные задачи путем выбора параметров облучения. Теперь исследователь или инженер может сразу выбрать для себя оптимальный сценарий, затратив в разы меньше времени и сэкономив массу ресурсов, – подчеркнул Евгений Витальевич.

Ученые дальше планируют развивать новое направление исследований: например, дополнить установку магнетроном, чтобы в режиме in situ одновременно наблюдать за процессами напыления и облучения.

Полученные результаты представлены в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Фото: Томский научный центр СО РАН. Слева направо: зав. лабораторией перспективных технологий ТНЦ СО РАН Евгений Яковлев, младшие научные сотрудники лаборатории Всеволод Петров и Евгений Пестерев.

Источник: Минобрнауки России