С использованием методов просвечивающей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа выполнено исследование изменения микроструктуры, напряжений и элементного состава в тонких фольгах на поперечных сечениях градиентного покрытия системы Ti—Al—Si—N. Показано, что с ростом по толщине покрытия концентрации легирующих нитрид титана элементов его структура меняется от столбчатых зерен субмикронного размера к нанокристаллическим зернам. Для отмеченных структурных состояний установлено изменение величин структурных характеристик (параметр и изгибы-кручения кристаллической решетки, размеры кристаллов и тип внутризеренной дефектной структуры) и уровня остаточных напряжений. Обнаружено изменение величины и знака остаточных напряжений при смене типа структурного состояния.??.

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.

Представлены результаты исследований in vivo закономерностей формирования тонких пленок, мягких и твердых (костных) тканей органической природы на поверхностях имплантатов из никелида титана с поверхностными слоями, модифицированными ионными и электронными пучками, их коррозионной стойкости, анализа накопления продуктов коррозии - металлических ионов в удаленных от импланта органах животного (сердце, легкие, печень, селезенка, почки) и в тканях, прилежащих к имплантату. Обнаружено, что структура органических тканей, формирующихся на поверхности имплантата, зависит от материала имплантата. Сформированные на поверхностях имплантата из никелида титана ткани - более однородны по структуре, равномернее обволакивают имплантат, чем на поверхностях имплантата из титанового сплава ВТ6. Установлено, что морфология органических тканей зависит от способа поверхностной модификации металлического имплантата. Показано, что модификация поверхности с использованием ионов циркония, молибдена, а также электронно-лучевая обработка весьма эффективно повышает коррозионную стойкость и биосовместимость имплантатов из никелида титана, что проявляется в формировании тонкостенной обволакивающей капсулы, быстром восстановлении капиллярной системы вокруг имплантата, отсутствии (выше контрольных пределов) накопления металлических элементов (например, циркония, никеля) в тканях внутренних органов животных. Полученные результаты позволяют рекомендовать обработки ионными (со специальным выбором сорта иона) и электронными пучками в качестве финишных обработок поверхностей материалов и изделий, предназначенных для изготовления имплантатов для медицины.

Методом рентгеноструктурного анализа исследовано влияние электронно-пучковых воздействий на структурно-фазовые состояния в поверхностных слоях образцов никелида титана с покрытиями и молибдена. Показано, что электронно-лучевая обработка (потоки электронов низких энергий) образцов никелида титана с покрытиями из молибдена в случае высоких плотностей энергии в электронном пучке (Е=30Дж/см2) приводит к формированию на их поверхности слоя, легированного молибденом, с увеличенным параметром элементарной ячейки В2-фазы TiNi, в то время как внутренние объемы не претерпевают существенных изменений. В случае малых плотностей энергии (Е=15Дж/см2) покрытие только частично растворяется в подложке, параметры элементарных ячеек В2-фазы TiNi и ОЦК-Мо покрытия уменьшается относительно исходных значений. Выявлено, что размеры D областей когерентного рассеяния в фазе В2 подложки и ОЦК-Мо-покрытий образцов после электронно-лучевых обработок ни изменились относительно значений в исходных образцах.

Исследованы состав, структура, микротвердость и износостойкость покрытий на основе TiCxNy и Ti1–xAlxN, осаждаемых с помощью магнетрона постоянного тока в условиях высоких мощностей разряда и низких давлений рабочей газовой смеси. Обнаружено значительное повышение микротвердости и износостойкости покрытий TiCxNy с увеличением отношения парциальных давлений ацетилена к азоту, а покрытий Ti1–xAlxN при увеличении температуры осаждения, которое связывается с изменениями состава и структурных характеристик покрытий.

В работе приведены результаты исследования структуры и трибологических свойств композиционных покрытий «диборид титана – металлическая связка», полученных методами электронно-лучевой наплавки, газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом. Показано, что покрытия, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают более высокими значениями износостойкости при абразивном изнашивании и износе в парах трения.

Разработаны технологические параметры получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) карбонитридов титана и металлокерамических композиционных порошков на их основе с матрицей из высокоазотистой стали Х20ФГ20 (N=0,9 масс%). Установлены оптимальные режимы синтеза. Проведено исследование качественных характеристик материалов (гранулометрический состав порошка, содержание газов, структура). На основе синтезируемых композиционных порошков системы "TiCN-X20АГ20" методом электронно-лучевой наплавки получены покрытия, исследованы их структура и свойства.

Исследован эффект модифицирования структуры высокохромистого белого чугуна добавкой дисперсного порошкового карбида титана при спекании и электронно-лучевой наплавке. Наиболее сильное измельчение структуры, сопровождаемое ростом твердости, наблюдается для чугуна доэвтектического состава. Наибольшую твердость имеют спеченные композиты карбид титана - высокохромистый чугун. Относительно меньшая твердость наплавленных композиционных покрытий аналогичного состава объясняется вакуумной очисткой наплавочной ванны от примесей внедрения.

Проведено сравнительное исследование кинетики абразивного изнашивания и износостойкости металлокерамических композитов с карбидной упрочняющей фазой и сплавов на основе железа. Результаты обсуждены с привлечением результатов металлографических исследований структуры материалов. Предложен механизм абразивного изнашивания исследованных композитов.

Предложена модель формирования неравновесного поверхностного слоя в процессе электронно-лучевой модификации композиционного материала. Учитываются особенности процессов переноса в матрице и во включениях, а также характер границ раздела между ними. Приведены примеры численного исследования модели для случая идеального контакта между частицами и матрицей. Показан различный характер формирования диффузионных зон в окрестности частиц, расположенных на разном расстоянии от внешней поверхности.

Предложена математическая модель неизотермической диффузии азота в поверхностном слое металлокерамического сплава на основе карбида титана с Ni-Cr связующим за время действия одиночного импульса облучения мощным электронным пучком. Показано, что в результате такой обработки образуется диффузионная зона с концентрацией азота 1,5-2,0 ат.%.

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.

Приводятся результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на рельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности никелида титана. Показано, что ультразвуковое воздействие приводит к сильному упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагентации и к изменению фазового состава.

Теоретически и экспериментально изучен характер структурно-фазовых превращений в поверхностном слое инструментальной металлокерамики "карбид титана-никель-хромовая связка" при электронном облучении. Математически проанализировано термическое влияние электронного облучения на структуру приповерхностного слоя композиционного материала дисперсного строения, проведены количественные оценки глубины зоны структурно-фазовых превращений. Экспериментально исследованы микроструктура и концентрационный профиль распределения титана в металлическом связующем после импульсного электронного облучения.

Изучено влияние интенсивной пластической деформации и изотермических отжигов на формирование дислокационной субструктуры в сплаве на основе никелида титана с термоупругим мартенситным превращением. Показано, что особенностью исследованного сплава является высокая скалярная плотность дислокаций, которая сохраняется вплоть до температур 1073 K. Уменьшение плотности дислокаций происходит только в результате термообработок при температуре 1373 K. Установлено, что изменение микроструктуры приводит к изменению скорости накопления остаточной деформации при квазистатическом и циклическом нагружении. На основании экспериментальных данных сделаны предположения о возможности развития дислокационного и мартенситного механизмов деформации.

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.

В работе исследуется влияние нелинейных эффектов поверхностной неравновесной активации и внутренних механических напряжений, наблюдаемых в процессах электронно-лучевой модификации TiNi-сплавов, на диффузию кислорода из адсорбционного слоя вглубь материала. Предложенная математическая модель включает уравнения теплопроводности, диффузии и кинетики с соответствующими импульсной электронно-лучевой обработке начальными и граничными условиями. Приводятся оценки кинетических параметров. Рассчитываются распределения температуры, концентрации и напряжений по пространству и времени для широкой области изменения параметров. Определяется глубина зон прогрева и диффузии, проводится сравнение результатов с учетом активации и без нее.

Методами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов исследованы особенности эволюции структурно-фазового состояния наноструктурного сплава Ti-6Al-4V-H в процессе вакуумного отжига и облучения пучком электронов. Показано, что сочетание предварительного легирования водородом, горячего прессования и изотермического отжига в вакууме позволяет сформировать в сплава Ti-6Al-4V субмикрокристаллическую структуру со средним размером зерен менее 0,3 мкм. Установлено, что использование для дегазации по водороду облучения электронным пучком снижает не только температуру выхода водорода. но также и температуру рекристаллизации СМК структуры.

Методами рентгеновской дифракции просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии, а также наноиндентирования изучены покрытия TiAIN, нанесенные на подложки из стали 12Х18Н9Т до и после предварительной обработки пучками ионов Ti. Показано, что модификация поверхностного слоя подложки приводит к изменению структуры и преимущественной ориентации покрытий. Установлено, что механические свойства покрытий TiAIN существенно зависят от длительности ионной бомбардировки.

Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии исследованы фазовый состав, макро- и микронапряжения, а также микроструктура Ti 1-хAlxN покрытия и подложки. Покрытия наносились методом магнетронного распыления мишени в реакционной смеси газов аргона и азота на подложку из аустенитной стали 12X18Н10Т, которая подвергалась предварительной обработке ионным пучком титана. Установлено, что увеличение длительности предварительной ионной обработки подложки приводит к увеличению сжимающих макронапряжений и измельчению нанокристаллической столбчатой структуры в покрытии.??.

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%.

Методами оптической и электронной просвечивающей микроскопии, рентгеноструктурного анализа, наноиндентирования, определения величины износа, механических испытаний на одноосное растяжение изучено влияние ультразвуковой ударной поверхностной обработки на тонкую структуру и механические характеристики поверхностных слоев и деформационное поведение объемных образцов монокристалла TiNi(Fe, Мо).

На основе результатов экспериментальных исследований температурной зависимости предела текучести монокристаллов TiNi сплавов и механизма механического двойникования В2-фазы как локального обратимого фазового превращения мартенситного типа проведено исследование асимметрии механического поведения при растяжении и сжатии указанных мматериалов в направлении [001], показано, что особенностью этого механизма является то, что критической модой дисторсии, определяющей напряжения механического двойникования, является однородная деформация превращения типа деформации Бейна. Для анализа асимметрии этих напряжений при растяжении и сжатии введено понятие фактора нормальных напряжений. приведенных к главным осям тензора однородной деформации превращения. Показана возможность использования этого фактора для анализа асимметрии механического поведения монокристаллов сплавов TiNi.

Исследованы структура, фазовый состав, твердость и износостойкость покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки порошков тугоплавких соединений и их смесей на Ti и сплавы на его основе. Показано, что такие покрытия имеют неравновесную заэвтектическую или эвтектическую структуру на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана. Установлена корреляция между коэффициентом износостойкости покрытия и объемной долей частиц фазовых включений в слое наплавки.

С помощью ЯМР Н-спектроскопии выявлены закономерности реакции циклопентадиена с винилтриэтоксисиланом в условиях реакции Дильса-Альдера. Установлено, что при температуре 20 С превалирующей является реакция димеризации циклопентадиена, которая ускоряется под действием каталитических количеств тетрахлорида титана.

По данным испытаний малоразмерных образцов с шевронным надрезом определены характеристики трещиностойкости технического титана ВТ1-0, титанового сплава ВТ6, трубной стали 12ГБА и сплава Fe-Ni с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, полученной методами интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве основной характеристики трещиностойкости определена удельная энергия разрушения. Предложена новая характеристика вязкости разрушения при испытании малоразмерных образцов с шевронным надрезом — относительная величина смещений точек приложения нагрузки, не связанная с изменением податливости образца в результате распространения трещины. Исследовано изменение удельной энергии разрушения в процессе нагружения образцов с шевронным надрезом.

Исследовано влияние облучения пучком ионов Al++B+ на структурно-фазовое состояние, химический состав, нанотвердость и износостойкость TiN покрытий. Установлено, что ионное облучение повышает износостойкость покрытий в 4 раза, а нанотвердость - в 1,6 раза. Изменение свойств связывается с радиационно-стимулированным выделением высокодисперсных боридных и нитридных фаз. изменением среднего размера и преимущественной ориентации зерен основной фазы.

Методами физического материаловедения проведены исследования рельефа поверхности, фазового состава и дефектной субструктуры твердого сплава TiC-50% NiCr, обработанного импульсным низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия (энергия электронов U = 5...20 кэВ, ток пучка I = 50...200 А, длительность импульса воздействия пучка = 50...200 мкс, плотность энергии пучка = 10...45 Дж/см2, число импульсов облучения N = 1...15, частота следования импульсов = 0.5...1Гц). Выявлены закономерности эволюции фазового состава и дефектной субструктуры, вскрыты механизмы диспергирования кристаллитов карбидной фазы, установлены интервалы изменения параметров пучка электронов, в пределах которых преобладает тот или иной механизм диспергирования кристаллитов карбидной фазы.

Представлены результаты исследования влияния импульсного электронно-пучкового облучения поверхности металлокерамического сплава на основе карбида титана с никельхромовой связкой на фазовый состав, дефектную субструктру, морфологию поверхности разрушения и трибологические свойства приповерхностного слоя. Установлено, что электронно-пучковое облучение металлокерамического сплава формирует в его приповерхностном слое структурно-неравновесные состояния компонентов металлокерамической композиции. Переход металлического связующего в наноструктурное состояние наряду с другими факторами модификации микроструктуры металлокерамического сплава определяет существенное улучшение его трибологических свойств.

Теоретически и экспериментально исследованы различные методы электронно-лучевой обработки металлических и неметаллических материалов: получение отливок повышенной чистоты из тугоплавких металлов, в частности изготовление новых и восстановление изношенных катодов, мишеней, упрочнение поверхностных слоев сталей из стали и сплавов титана с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя; нанесение на поверхность металлических изделий упрочняющих порошковых покрытий; получение неразъемных соединений керамика-металл, металл-металл. Представлены электронно-лучевые технологии получения металлорежущих инструментов, оснащенных пластинками из кубического нитрида бора, упрочнения методами электронно-лучевой наплавки, закалки с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя, получения биметаллических катодов, мишеней. Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области высокоэнергетических методов обработки материалов, может быть полезна аспирантам и студентам технических вузов.

Предложена математическая модель импульсной электронно-лучевой обработки гетерогенного материала с позиции механики гетерогенных сред. Каждая фаза (частицы и матрица) характеризуется своей концентрацией диффундирующего углерода и температурой. Учитываются процессы переноса тепла и массы в частицах и матрице и обменные процессы между фазами. Проиллюстрировано влияние внешнего теплового потока на поля температуры и концентрации диффундирующего углерода.

Представлен обзор работ авторов по моделированию физико-химических превращений в ванне расплава, сопровождающих формирование фазовой и химической структуры покрытия в процессе электронно-лучевой наплавки. Выделены типы подмоделей, анализ которых позволяет установить качественные закономерности, присущие системам различных типов. Указано на аналогию критических явлений, наблюдаемых в моделях отдельных стадий сложных технологических процессов (электронно-лучевая наплавка с модифицирующими частицами и электронно-лучевая наплавка с использованием синтеза в конденсированной фазе), и критических явлений, известных из тепловой теории горения.

В работе на основе математической модели нестационарного многомерного процесса теплопереноса и металлографических исследований рассмотрены особенности термических условий формирования структуры и свойств стали 45 при электронно-лучевом воздействии. Проведены численные расчеты температурных полей и средних скоростей охлаждения в зоне оплавления и в зоне термического влияния. Показано, что температурно-временные условия нагрева и охлаждения материала, зависящие от плотности мощности электронного луча, определяют характер протекающих структурных превращений.

Предложена двумерная модель синтеза покрытия в условиях электронно-лучевой обработки. Представлены результаты численного исследования модели, иллюстрирующие роль технологических параметров в режимах превращения. Показано, что степень превращения и состав покрытия существенно зависят от режима обработки.

Методом электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов карбидов вольфрама и хрома и последующей импульсной обработки низкоэнергетическими электронами сформирована нано- и ультрадисперсная зеренная структура, пронизанная системой наноразмерных пор. Показано, что в зоне вторичного импульсного воздействия нанотвердость и модуль упругости достигают аномально высоких значений. Модифицированный приповерхностный слой с наноструктурой и хаотическим распределением нанопор может служить барьером для развития хрупкого разрушения.

В работе методом вакуумной электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов на поверхности низкоуглеродистой стали Ст3 сформированы покрытия на основе карбидов хрома и вольфрама, которые затем повторно обработаны низкоэнергетическим импульсным электронным пучком с целью получения ультрадисперсной и наноразмерной структуры. исследованы структура и фазовый состав покрытий и слоев вторичной импульсной обработки, изучена возможность измерения в них скорости ультразвука. Установлена связь между скоростью ультразвука, структурой, составом, дефектностью решетки наплавленных покрытий до и после импульсной электронно-лучевой обработки.

Методами атомно-силовой и просвечивающей электронной микроскопии исследованы морфология поверхности и структура тонких пленок двуокиси кремния, нитрид бора, а также их двухслойной композиции. Пленки наносились методом газофазного химического осаждения по подложки GaAs. Показано, что температура подложки оказывает существенное влияние на рельеф поверхности и внутреннюю микроструктуру диэлектрических пленок. Слои, нанесенные при 473К, имеют аморфное строение с кристаллическими включенииями, а при 573К и выше являются нанокристаллическими. Усатновлено качественное соответствие между морфологией поверхности и структурой исследованных пленок.