Методами ОЭС, ПЭМ и рентгеновского фазового анализа исследован элементный состав, морфология и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя титана, имплантированного ионами алюминия. Установлено, что в имплантированном слое толщиной 2.6 мкм со структурой твердого раствора алюминия в титане образуются мелкодисперсные (-70 нм) фазы интерметаллидов Ti3Al и TiAl, которые могут объединяться в конгломераты размером до 584 нм, а также соединения состава TiAl3. Модифицированный поверхностный слой ионо-имплантированного титана характеризуется повышенными физико-механическими свойствами.

Исследован элементный состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев никеля и титана, легированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на ионно-плазменном, вакуумно-дуговом источнике "Радуга-5". Установлено, что происходит формирование ионно-легированных слоев толщиной до 1000 нм (Ni) и 2000 нм (Ti) в процессе ионной имплантации. Показано, что поверхностные модифицированные слои содержат наноразмерные (средний диаметр 20-70 нм) интерметаллидные фазы Me3Al, MeAl (Me=Ni, Ti) и твердые растворы переменного по глубине состава, соответствующие равновесным диаграммам состояния систем Ni-Al и Ti-Al. Обнаружено, что увеличение дозы облучения титановых мишеней ионами алюминия приводит к росту толщины ионно-легированного слоя и среднего размера зрен интерметаллидных фаз. Установлена обща закономерность в локализации фаз, сформированных в процессе имплантации, по глубине легированных слоев металлов. Поверхностные слои содержат несколько многофазных зон, количество фаз в которых уменьшается по мере удаления о облучаемой поверхности. Область, содержащая интерметаллиды Me3Al, MeAl и наиболее близко расположенная к поверхности, способствует улучшению физико-механических свойств материалов.

Представлены результаты экспериментального исследования микроструктуры и фазового состава поверхностных легированных слоев никелевой мишени, сформированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на вакуумно-дуговом источнике ускоренных ионов "Радуга-5". Установлено формирование наноразмерных интерметаллидных фаз Ni3Al и NiAl и твердого раствора переменного состава системы Ni-Al.

Представлены результаты комплексного исследования микроструктуры и механических свойств поверхностных слоев титана в различных структурных состояниях (субмикрокристаллическое, микрокристаллическое и крупнозернистое), модифицированного в условиях имплантации ионами алюминия. Повышение физико-механических свойств титановых материалов основано на формировании модифицированного поверхностного слоя, состоящего из реструктурированной исходной мишени и формируемого твердого раствора. Уменьшение размера зерна исходного материала приводит к внедрению компонентов на большие глубины вследствие диффузии, что, в свою очередь, оказывает положительное влияние на свойства имплантированных материалов.

Исследованы элементный состав, структурно-фазовое состояние и механические свойства поверхностных слоев никеля, модифицированных в процессе ионной имплантации титана с использованием вакуумно-дугового ионно-плазменного источника "Радуга-5". С увеличением дозы имплантации наблюдается рост толщины имплантированного слоя никеля 0от 0.6 до 1.6 мкм). установлено, что ионно-легированные поверхностные слои никеля содержат мелкодисперсные интерметаллидные фазы (NiTi, Ni3Ti, NiTi2) и твердый раствор Ti в Ni. Показано, что пов6рхностные слои никеля, легированные ионами Ti, имеют более высокие значения микротвердости по сравнению с исходным материалом мишени.

Исследовано влияние ионно-модифицированного поверхностного слоя на пластичность, эффект памяти формы и мезоструктуру поверхности разрушения сплава Ni50Ti40Zr10. Установлено, что ионная имплантация приводит к повышению микротвердости поверхностного слоя и к общей пластификации сплава. Мезоструктуры поверхностей излома исходных и имплантированных образцов имеют принципиальные различия. В имплантированных образцах непосредственно под облученной поверхностью формируется слой толщиной, кратной размеру зерна В2-фазы, с характерным мезорельефом, отличным от рельефа неимплантированных образцов, и иными пластическими свойствами. В результате данной поверхностной обработки параметры эффекта памяти формы в образцах не ухудшаются, циклическая термостойкость возрастает.

Представлены результаты экспериментального исследования микроструктуры и фазового состава поверхностных ионно-легированных слоев никеля, титана и железа, сформированных в условиях высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия. Установлено, что ионная имплантация алюминия в высокоинтенсивном режиме позволяет формировать в поверхностных слоях толщиной до 2000 нм мелкодисперсные интерметаллидные фазы Me3Al (Me=Ni, Ti, Fe) и MeAl (Ni, Ti), а также твердые растворы переменного по глубине состава. Показано, что средний размер зерен интерметаллидных фаз, образующихся в ионно-легированных поверхностных слоях, составляет 20+80 нм. Установлены области локализации сформированных фаз по глубине имплантированных слоев.

Исследованы особенности многоэлементной ионной имплантации в частотно-импульсном режиме с использованием композиционных катодов системы Ti-B-Si, полученных методом порошковой металлургии. изучены элементный состав и профили распределения имплантированных ионов бора, титана и кремния в поверхностных слоях образцов меди и стали. Обсуждаются факторы, способствующие формированию глубоких имплантированных слоев с высокой концентрацией бора и кремния.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено исследование изменения микроструктуры приповерхностного слоя никелида титана после импульсных воздействий на поверхность образцов сплава потоками ионов кремния средних энергий. Показано, что после ионно-пучкового облучения поверхности образцов наблюдается изменение и фрагментация структуры приповерхностного слоя на глубину 5-15 мкм, меньшую среднего размера исходного зерна исследуемого сплава. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются присутствие в нем мартенситной фазы В19' и высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела, линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм, измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна. Высказано предположение, что одной из причин интенсивной фрагментации отдельных зерен исходной фазы В2 после ионно-пучковой обработки является близость ориентации основных систем скольжения направлению воздействия ионными пучками. Возможно, это привело к более раннему, по сравнению с остальными зернами, запуску процесса пластической деформации таких зерен и, как результат, частичной фрагментации их структуры.

Представлены исследования по изучению химического и фазового состава, структуры и механических свойств поверхностных слоев титана, модифицированных в условиях имплантации ионами алюминия. Использованы образцы титана с различным размером зерна (от нанокристаллического до поликристаллического состояния). Было установлено, что ионная имплантация в высокой интенсивности режим позволяет образования мелкодисперсных (размер зерна менее 100 нм) интерметаллических фаз Ti3Al и TiAl оксиды и карбиды титана, а также твердый раствор алюминия в титане с переменным по глубине составом. Установлено, что в поликристаллическом титане (ср. размер зерна 17 и 38 мкм) после имплантации ионами алюминия вторичные фазы Ti3Al, TiAl, TiO2, TiC образуется в объеме зерен титановой матрицы. показано, что наноструктурные частицы TiO2 фазы расположены преимущественно на дислокациях в объеме зерна титановой матрицы. Показано, что в мелкозернистом титане Ti3Al фаза преимущественно формируется в имплантированном слое вдоль границы титанового зерна. Установлено, что TiAl3 фаза наблюдается только в титане в субмикро- (ср. размер зерна 0,3 мкм) и микроструктурном (ср. размер зерна 1,5 мкм) состояниях. Показано, что улучшение механических свойств титана связано с образованием градиентной структуры ионно-легированного поверхностных слоев.

Исследованы циклические вольтамперные характеристики формирования биокерамических покрытий на титане в импульсном микроплазменном режиме с помощью компьютерной системы измерений. Показано, что форма циклических вольтамперных характеристик зависит от режимов микроплазменного процесса, состава и концентрации электролита. Использование вольтамперных зависимостей позволяет прогнозировать, конструировать и контролировать качество покрытия в процессе его формирования, так как вольтамперные зависимости отражают динамику роста и качества покрытия.

Исследованы циклические вольтамперные характеристики формирования биокерамических покрытий на титане в импульсном микроплазменном режиме с помощью компьютерной системы измерений. Показано, что форма циклических вольтамперных характеристик зависит от режимов микроплазменного процесса, состава и концентрации электролита. Использование вольтамперных зависимостей позволяет прогнозировать, конструировать и контролировать качество покрытия в процессе его формирования, так как вольтамперные зависимости отражают динамику роста и качества покрытия.

Метод рентгеноструктурного анализа с использованием асимметричной схемы отражения развит до получения одномерных распределений структурно-чувствительных физических величин по глубине. Из получаемого в эксперименте набора усредненных величин по различным толщинам эффективно отражающего слоя, методика позволяет восстанавливать координатную зависимость этих величин. Методика может быть полезна при изучении физической и химической неоднородностей в поверхностном слое материала, создаваемых закалкой, различными видами поверхностного облучения, поверхностным легированием, наплавкой, нанесением пленок и т. д. В работе она применена для получения распределений по глубине нормальной и касательной микродеформаций, связанных с напряжениями 1-го рода, в подвергнутых электронному облучению образцах никелида титана с плоской поверхностью.

Исследовано влияние облучения ионами N+, Ar+(40кэВ) и ионами Mn (45 кэВ) на механические свойства, морфологию поверхности и состав поверхностных слоев углеродистой стали Ст3сп. Обнаружено сглаживание рельефа поверхности и немонотонное изменение микротвердости и усталостной прочности стали в зависимости от типа ионов и дозы облучения.

В работе проведена первая серия систематических экспериментов по наноструктурированию поверхностных слоев ряда авиационных материалов и их сварных соединений с целью повышения прочностных характеристик обработанных материалов. В основе предложенного подхода лежит концепция клеточного распределения напряжений и деформаций на интерфейсе «наноструктурированный поверхностный слой – подложка» в виде «шахматной доски».

Исследовано изменение нанотвердости и износостойкости поверхностного слоя, усталостных характеристик образцов сталей 38ХН3МФА и ШХ-15 при облучении высокоэнергетическими пучками ионов Hf + B. Наблюдаемые эффекты связываются с наноструктурированием поверхностного слоя при имплантации композиции ионов, которое исследовалось методами просвечивающей электронной микроскопии.

Проведены исследования элементного состава и микротвердости поверхностного слоя образцов инструментальных сталей с карбидным упрочнением после восстановительной термообработки и последующей имплантации ионов Ti в различных режимах. Исследования износостойкости выполнены на пуансонах, служащих для холодного выдавливания корпусов веловтулок. Установлена корреляция между характером изменения элементного состава и служебными характеристиками изделий в зависимости от режимов имплантации.

Анализируются концентрационные профили ионов алюминия в поликристаллическом титане, имплантированного полиэнергетическим пучком вакуумно-дугового источника через осаждаемую на поверхность мишени газо-металлическую пленку.

Цель работы - исследовать коррозионные свойства и цитотоксичность образцов никелида титана после модификации их поверхности пучками ионов кремния, а также пролиферативную способность мезенхимальных стволовых клеток костного мозга крысы на ионно-модифицированных поверхностях образцов этого сплава. Показано, что ионно-пучковая обработка кремнием образцов NiTi привела к повышению коррозионной стойкости этих материалов в водных растворах NaCl (имитатор физиологического раствора) и плазмы крови человека почти в 2 раза и существенному снижению концентрации никеля после длительного содержания образцов в этих растворах (для раствора плазмы крови примерно в 20 раз). Обнаружено, что образцы NiTi-Si, содержащие кремний в поверхностном слое, приобрели свойства, благоприятствующие пролиферации мезенхимальных стволовых клеток (МСК) на их поверхности по сравнению с образцами NiTi, не подвергавшимися ионно-пучковой обработке.

Исследовано структурно-фазовое состояние поверхностного слоя медной подложки, обработанного ионами титана. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что после обработки в поверхностном слое образуются интерметаллиды системы Cu—Ti. Методом растровой электронной микроскопии установлено, что в поверхностном слое формируется сетчатая микропористая структура с характерным поперечным размером горизонтальных и вертикальных элементов приблизительно 1—2 мкм.

Представлены результаты цикла исследований, связанных с изучением влияния на коррозионные свойства и биосовместимость никелида титана in vivo, наличия тонких безникелевых барьерных слоев, сформированных на его поверхности с использованием ионно- и электронно-лучевых воздействий. Элементом легирования выбран титан. Показано, что для достижения положительного эффекта особое значение имеет специальная подготовка поверхностного слоя материала подложки. В случае предварительной электронно-лучевой обработки подложки барьерный слой, сформированный ионно-лучевым воздействием ионами Ti, более однороден п составу и почти не содержит никеля по всей своей глубине. Это приводит к понижению концентрации никеля в биопробах почти в два раза, что повышает биосовместимость имплантатов с модифицированной поверхностью. Обнаружено, что гистопатологические особенности "протеино-подобной" (ПП)- и "коллагено-подобной" (КП)-пленок прямо коррелируют с физико-химическими и морфологическими свойствами поверхностей имплантатов из никелида титана. На основе полученных результатов сделаны рекомендации использования обработок ионными и электронными пучками как финишные обработки поверхностей имплантатов для медицины.

Исследованы мезоскопические масштабные уровни пластической деформации поверхностных слоев поликристаллов свинца, его сплавов с малорастворимыми элементами, алюминия и титана при знакопеременном изгибе. Обнаружены новые механизмы пластического течения на мезоуровне: расслоение материала в зонах стесненной деформации на ламели и их взаимное смещение (свинец и его сплавы), самосогласованное гофрирование поверхностного слоя в иерархии мезомасштабных уровней деформации (алюминий), аномально большие вертикальные смещения мезоблоков поверхностного слоя с формированием двухуровневой клеточной структуры (титан с наводороженным поверхностным слоем). На основе многоуровневого подхода делается заключение, что механизмы деформации поверхностных слоев твердых тел на мезоуровне при знакопеременном изгибе определяются самосогласованием поворотных мод деформации в поверхностных слоях и «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на границе раздела «поверхностный слой – подложка».

Фазовый состав, тонкая структура интерметаллических покрытий исследована методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Показано, что интерметаллид Ni3Al является основной фазой покрытия для всех исследованных образцов. Ионная имплантация покрытия ионами алюминия и бора приводит к изменению параметра решетки, параметра дальнего атомного порядка, изменению внутренних упругих напряжений, размеров зерен и типа дислокационной структуры.

Изложены результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на микро- и мезорельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности материала с эффектом памяти формы на основе никелида титана. Методами микроиндентирования, оптической профилометрии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей туннельной микроскопии и позитронной аннигиляционной спектроскопии показано, что интенсивная пластическая деформация поверхностных слоев приводит к появлению мезорельефа, сильному (в 2–3 раза) упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагментации и изменению фазового состава. В наноструктурном состоянии наблюдается высокая концентрация вакансий на границах зерен.

Исследованы особенности ионной многоэлементной имплантации в импульсном режиме с использованием композиционных катодов состава TiC+Al и TiC+Si. на основе изучения элементного состава модифицированной поверхности мишеней из молибдена, стали 45 и меди выявлены общие закономерности в распределении профилей различных имплантированных элементов. Показано, что одновременное внедрение различных элементов обеспечивает более эффективное высокодозовое легирование материалов по сравнению с одноэлементной имплантацией.

Определены вольт-амперная характеристика и интенсивность изнашивания скользящих электроконтактов из композитов на основе сталей Г13, а также на основе стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама. Показано, что сталь ШХ15 имеет высокую износостойкость вследствие формирования наноструктур при деформации поверхностных слоев в зоне трения. Установлено, что при скольжении с плотностью тока более 100 А/см2 окисляется поверхность трения контртела из закаленной стали, поэтому сталь не может применяться в качестве контртела.

Предложена модель диффузии легирующего элемента в поверхностном слое материала, активированного ионно-лучевым воздействием. В рамках модели процесс характеризуется временем и глубиной активации. Продемонстрировано принципиальное значение учета активации поверхностного слоя для описания формирования диффузионной зоны. Теоретически показана возможность экспериментального определения параметров модели.

На основе анализа экспериментальных результатов последних лет сделано заключение, что поверхностные слои нагруженных твердых тел являются самостоятельной подсистемой, в которой развиваются волновые механизмы пластического течения, определяющие зарождение первичных деформационных дефектов всех видов. Эти процессы являются синергетическим активатором пластического течения о объеме деформируемого твердого тела.

Проведена серия численных экспериментов, нацеленных на выявление закономерностей формирования возмущений на внутренних границах раздела и поверхностях твердого тела при внешней приложенной механической нагрузке. Применен разработанный авторами стохастический алгоритм, использующий как базовые понятия классической теории упругости на макромасштабном уровне, так и результаты, полученные в рамках вероятностных подходов для более низких масштабных уровней. Обнаружено, что деформационный профиль поверхностного слоя нагруженного твердого тела имеет многоуровневую самоподобную структуру, где форма поверхности фронта возмущений на более высоком масштабном уровне подобна форме фронтов возмущений от концентраторов напряжений на более низких масштабных уровнях. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – подложка» имеет «шахматный» характер.

Представлены результаты исследования структуры, фазового состава, триботехнических свойств и механики пластического деформирования при трении имплантированной по различным режимам ионами азота стали 40Х. Показано, что предварительная закалка стали интенсифицирует диффузионный перенос модифицирующей примеси в подповерхностные слои при температурах имплантации 620-670 К. Иаксимальная износостойкость при адгезионном изнашивании модифицированной стали достигается после ее обработки при температурах 670-720 К на стадиях образования высокоазотистых нитридных фаз. Выделение в модифицированном слое низкоазотистых нитридных частиц вызывает снижение адгезионной стойкости слоя. Предложена модель, объясняющая пониженную износостойкость таких слоев диссоциацией в местах тепловых вспышек. Формирование на поверхности упрочненного слоя достаточной толщины подавляет ротационный характер развития пластического деформирования в подповерхностных слоях и, тем самым, существенно снижает интенсивность изнашивания.

Приведены результаты исследования влияния высокоинтенсивной ионной имплантации азота на усталостные свойства титана в крупнозернистом и ультрамелкозернистом (УМЗ) состояниях. Показано, что ионно-лучевая обработка крупнозернистого титана интенсивными потоками азота существенно (примерно в 20 раз) увеличивает число циклов до разрушения. Ионная имплантация УМЗ титана эффективна при температурах ниже порога термостабильности его структуры и свойств. Для УМЗ титана ионно-лучевая обработка про 350 гр.С. увеличивает циклическую долговечность в 2,5 раза.

Методом рентгеноструктурного анализа исследована структура интерметаллида TiNi подвергнутого поверхностной электронно-лучевой модификации. выявлено 3, дифференцированных по микрокристаллической структуре слоя: внешний остротекстурированный слой толщиной 1:3 мкм с текстурой в направлении [100]В2 и уменьшенным на 1% параметром периодичности решетки в направлении нормали к поверхности, промежуточный градиентно-напряженный слой толщиной 10:15 мкм с текстурой исходно слитка и неизмененный материал. Поверхностный слой, как и промежуточный, находится в растянутом вдоль поверхности и сжатом нормально поверхности состоянии. Это искажение решетки максимально в поверхностном слое и убывает вглубь материала.

Представлены результаты комплексного исследования микроструктуры и механических свойств поверхностных слоев титана, модифицированных в условиях высокодозовой ионной имплантации. Исследованные образцы титана различались исходным структурным состоянием и имплантируемыми ионами. Установлено, что при имплантации ионами алюминия поликристаллического титана наблюдается значительное повышение механических свойств, связанное с формированием в ионно-легированных слоях наноразмерных интерметаллидных фаз Ti3Al, TiAl и твердого растора. Объемный ультрамелкозернистый (УМЗ) (наноструктурный) титан был получен путем многократного одноосного прессования со сменой оси деформации (abc -прессование) с последующей дополнительной прокаткой поликристаллического титана. Установлено, что в результате формирования УМЗ-структуры по использованной технологии в титане ВТ1-0 достигнуты максимально возможные прочностные свойства. Показано, что имплантация ионов азота, углерода и хрома в УМЗ-титан приводит к формированию нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов и т. д. Установлено, что ионная имплантация позволяет формировать поверхностный слой с высокой износостойкостью. Сделано заключение о влиянии условий ионной имплантации на фазовый соста и физико-механические свойства титана, находящегося в различных структурных состояниях (поликристаллическое и объемное УМЗ).

В работе исследовано влияние комбинированной обработки, включающей интенсивное пластическое деформирование и ионно-лучевое азотирование, на структуру и триботехнические свойства титанового сплава ВТ1-00. Показано, что интенсивное пластическое деформирование титана, приводящее к образованию в нем субмикрокристаллической структуры и увеличению твердости сплава на 50...60%, практически не оказывает влияния на его триботехнические характеристики при трении без смазочного материала. Имплантация ионов азота в титан при температурах 620...820 К приводит к образованию твердого раствора внедрения азота в матричной а-фазе, что обеспечивает увеличение микротвердости модифицированного слоя 3500...3700 МПа, повышение износостойкости сплава в 30 раз и снижение коэффициента трения на 40%.

Исследовано влияние термического отжига на структуру, характер локализации пластического течения и механические свойства образцов ВТ1-0, подвергнутых предварительной ультразвуковой обработке или равноканальному угловому прессованию. Показано, что разрушение в процессе отжига субмикрокристаллической структуры обусловливает размытие полос локализованной деформации различных масштабов. Отжиг при 450 oС в течение 1 ч позволяет добиться увеличения пластичности субмикрокристаллического титана при одновременном сохранении высоких прочностных свойств материала.

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведены исследования микроструктуры и фазового состава титанового става ВТ1-0, имплантированного ионами алюминия. Исследования выполнены на зернах двух типов; 1) крупные зерна (dcp = 1.4 мкм) и 2) мелкие зерна (dcp = 0.5 мкм). Рассчитана величина упрочнения для разного типа зерен по глубине ионно-легированного слоя.

В работе представлены новые результаты по исследованию структуры и физико-механических свойств приповерхностных слоев титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-22 после имплдантации ионов (W, Mo) и последующего термического отжига при температуре 550 гр. в течение двух часов. Использовались методы: резерфордовского обратного рассеяния ионов (РОР) гелия и протонов, растровой электронной микроскопии (РЭМ) с микроанализом (EDS, WDS), индуцированного протонами (ионами) рентгенофазового анализа в скользящей геометрии, мессбауэровской спектроскопии. Проведены исследования нанотвердости и модуля упругости, износа при трении цилиндра по плоскости. Обнаружено увеличение твердости почти в два раза, уменьшение износа и повышение усталостной прочности за счет формирования мелкодисперсных (наноразмерных) фаз нитридов, карбонитридов и интерметаллидов.