Программа Президиума РАН Отделение нанотехнологий и информационных технологий Проект 27.4 «Физические основы электронно-пучковой наноструктуризации металлов. - презентация

1 Программа Президиума РАН Отделение нанотехнологий и информационных технологий Проект 27.4 «Физические основы электронно-пучковой наноструктуризации металлов и сплавов » Руководитель проекта: д.т.н. Коваль Николай Николаевич Ответственный исполнитель проекта: д.ф.-м.н. Иванов Юрий Федорович Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН , г.Томск, пр-т Академический, 2/3 тел.: (3822)491706, факс: (3822)492410, электронный адрес: Цель проекта: Формирование в поверхностных слоях металлов и сплавов нано- и субмикрокристаллической многофазной структуры в условиях сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения, инициированных действием импульсного электронного пучка в реакционно-способной среде; анализ закономерностей и механизмов эволюции их структурно-фазового состояния; исследование триботехнических и физико-механических свойства материалов, обработанных электронным пучком.

2 Предлагаемые методы и подходы: Создание поверхностных слоев с нанокристаллической зеренной структурой будет осуществляться путем: высокоскоростного ~10 8 К/с импульсного электронно-пучкового нагрева (вплоть до температуры плавления) тонкого ~10 мкм поверхностного слоя металлов и сплавов, металлокерамических и керамических материалов; насыщение расплава атомами реакционно-способного газа (азот, кислород, углерод) с образованием частиц вторых фаз; сверхбыстрого ~10 6 К/с охлаждения расплавленного слоя за счет теплопроводности холодной основы с осуществлением закалки модифицированного слоя из твердого и жидкого состояний. Ожидается, что формирующиеся поверхностные структуры будут обладать повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Для импульсного плавления поверхностного слоя будет использован разработанный и созданный авторами проекта плазменный источник интенсивных импульсных низкоэнергетических электронных пучков «SOLO» (eU=10-20 кэВ, τ= мкс, Е= Дж/см 2 ), который по совокупности параметров не имеет аналогов. Это позволяет провести исследования в новой, неосвоенной области параметров.

3 Импульсная электронно – пучковая обработка, как метод модификации поверхности твердого тела Примеси Микронеровности Модифици- рованный слой толщиной до 5 мкм Электронный пучок До облучения Достигаемые эффекты: высокоскоростные плавление и кристаллизация поверхностного слоя; очистка и сглаживание (полировка) поверхности; изменение (вплоть до наноразмерного) состояния структуры; увеличение физико-механических, электрофизических, триботехнических и других свойств поверхности. Высокоскоростные плавление и кристаллизация поверхностного слоя Основа Сглаживание После облучения

4 500 мм Установка для электронно- пучковой обработки материалов SOLO, разработанная в ИСЭ СО РАН Импульсный электронный источник с плазменным катодом Размер установки, мм 3 : Размер вакуумной камеры, мм 3 : Ток пучка, А: Энергия электронов, кэВ: 5-20 Длительность импульсов, мкс: Частота повторения импульсов, Гц : Максимально потребляемая мощность, кВт: Рабочее давление, Пa: 0.01–0.05 Диаметр автографа пучка, см : 1-3 Размеры манипулятора (область сканирования), мм : Основные преимущества: -высокая плотность энергии при низком ускоряющем напряжении; -высокая энергетическая эффективность; -широкий диапазон регулировки параметров; -хорошая воспроизводимость импульсов; -большой срок службы; -малое время готовности; Электронный пучок Результат электронно- пучковой полировки мед. имплантантов

5 Ожидаемые результаты: будет осуществлено компьютерное моделирование температурных полей, возникающих в металлах при воздействии импульсных интенсивных электронных пучков с целью оптимизации режимов электронно-пучковой обработки; будет проведена электронно-пучковая обработка сплавов на основе железа в широком диапазоне вариации параметров электронного пучка (плотности энергии, длительности и числа импульсов воздействия, давления реакционно-способного газа азота); будут выполнены исследования влияния условий импульсного электронно-пучкового воздействия и реакционно-способного газа на закономерности и механизмы формирования наноструктурных состояний поверхностного слоя сплавов на основе железа; будут определены, с учетом результатов исследований, оптимальные режимы электронно-пучковой обработки сплавов на основе железа, обеспечивающие заданный тип структуры и повышение физико-механических и триботехнических свойств поверхностного слоя. Результаты исследований будут иметь мировой уровень новизны.