( 4 exp 2
1
4 12
1 / 6 / 3 2
)
; (
1
2 2 2 2
2 2
2
n СТ
n CT
h z n n c
n
h z h z c
h q T z
где
СТ/
h – параметр; n – целые положительные числа; с, ρ– теплоемкость и плотность стенки.Зная распределение температуры в пластине, можно вычислить термические напряжения рас- тяжения и сжатия, возникающее в некоторый момент времени τ на различной глубине от поверхно- сти δi (h = zi) при данном значении теплового потока q, поскольку пластина с переменной по толщине температурой находится в плоско напряженном состоянии [2].
Задаваясь предельными значениями напряжения сжатия, растяжения для пористого покрытия и металла, получаем функциональную зависимость теплового потока, требуемого для разрушения, от времени подачи и глубины проникновения. Кроме, того, приравнивая температуры на поверхности пластины к температуре плавления покрытия и металла, находим значения удельных тепловых пото- ков, необходимых для расплавления поверхностного слоя за различный промежуток времени их дей- ствия, т.е. в каждом конкретном случае имеем функциональные зависимости теплового потока от времени воздействия его на покрытие и металлическую поверхность:
– плавление поверхности
4 1 exp / 4 cos ;
3 2 / 2
1
2 2
1 2
n
CT n
CT
пл n c n
n Т c
q
34
№4 2017 Вестник КазНИТУ
– создание предельных напряжений сжатия
1 ;cos 2 4
/ 1 exp
4 12
1 / 6 / 3 / 2
1
1
2 2
2 2
2
. 2
n
CT n
сж CT пр
h z c n
n n
h z h z c
q E
– создание предельных напряжений растяжения
,
/ 2
1
.3
CT раст
пр
c q E
где σпр.сж. , σпр.раст. – предельные термические напряжения сжатия и растяжения;
Е – модуль упругости Юнга; - коэффициент линейного расширения; – коэффициент Пуассона.
Для пластин, выполненных из кварцевых, гранитных и тешенитных покрытий, а также из меди и нержавеющей стали функциональные зависимости величин q1, q2, q3 рассчитывались на ПК. Тер- момеханические характеристики покрытий и металлов представлены в [2]. Результаты расчетов для тешенитного покрытия показаны на рисунках 2, 3.
Экспериментальные исследования, проведенные скоростной кинокамерой СКС-1М, позволили измерить размеры отрывающихся частиц пористого покрытия δ для фиксированной величины q и времени τ.
Исследования кинограмм полета частицы разрушаемого тешенитного покрытия показали, что размеры частиц дают хорошее совпадение с теоретической моделью.
Рис. 2. Зависимость тепловых потоков, вызывающих напряжения сжатия тешенитного покрытия в зависимости от времени действия τ для различной толщины отрывающихся частиц: I – напряжения растяжения, достаточные
ҚазҰТЗУ хабаршысы №4 2017 35
для разрушений; II – оплавление поверхности; III –разрушающие термонапряжения сжатия. Кривые оплавления для меди и нержавеющей стали почти совпадают с кривой I в интервале времени τ= (0.1-1) с.
Рис. 3. Эпюры напряжений по толщине тешенитовой пластины при различных q и τ: q1 = 6.6×106 Вт/м2; q2 = 1×104 Вт/м2; 76 – предел прочности на растяжение.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Поляев В.М., Генбач А.А. Скорость роста паровых пузырей в пористых структурах // Известия вузов.
Машиностроение. – 1990. – № 10. – С. 56-61.
[2] Поляев В.М., Генбач А.Н., Генбач А.А. Предельное состояние поверхности при термическом воздей- ствии // ТВТ. – 1991. – Т.29, № 5. – С. 923-934.
[3] Polyaev V., Genbach A. Control of Heat Transfer in a Porous Cooling System // Second world conference on experimental heat transfer, fluid mechanics and thermodynamics. – 1991. – Dubrovnik, Yugoslavia, 23-28 June, pp.
639-644.
[4] Поляев В.М., Генбач А.А. Управление теплообменом в пористых структурах // Известия Российской академии наук. Энергетика и транспорт. – 1992. – Т.38, № 6. – С. 105-110.
[5] Поляев В.М., Генбач А.А. Теплообмен в пористой системе, работающей при совместном действии капиллярных и гравитационных сил // Теплоэнергетика. – 1993. – № 7. – С. 55-58.
[6] Генбач А.А., Кульбакина Н.В. Пылеподавление и пылеулавливание с помощью циркуляционного пе- ногенератора с пористой структурой // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. – 2010. – № 4. – С. 62-65.
[7] Поляев В.М., Генбач А.А. Управление внутренними характеристиками кипения в пористой системе //
Криогенная техника и кондиционирование: Сб. трудов МГТУ. – 1991. – С. 224-237.
[8] Поляев В.М., Генбач А.А. Применение пористой системы в энергетических установках // Промыш- ленная теплоэнергетика. – 1992. – № 1. – С. 40-43.
[9] Поляев В.М., Генбач А.А. Расчет тепловых потоков в пористой системе охлаждения // Известия вузов.
Авиационная техника. – 1992. – № 2. – С.71-74.
[10] Генбач А.А., Гнатченко Ю.А. Системы охлаждения теплонагруженного элемента детонационного го- релочного устройства – Камеры сгорания, диффузора, конфузора // Вестник Каз НТУ. - Алматы. – 2007. – № 4 (61) июль. – С.87-91.
[11] Генбач А.А., Пионтковский М.С. Пористый пылегазоуловитель с управляемой геометрией микрока- налов // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. -2010. №4. -С. 59-61.
36
№4 2017 Вестник КазНИТУ
Genbach A.A., Jamankulova N.O.
Modeling the development of the vapor phase in the porous structures of power plant heat exchangers.
Summary. The model of development the vapor phase in porous structures makes it possible to explain the mechanism of nucleation center, its development up to the destruction moment. The limiting state of the porous surface and the metal substrate can be characterized by melting, destruction from thermal stresses of compression and stretching. Calculations are carried out proceeding from the solution of the thermoelasticity problem and confirmed with visual observations by means of the camera. The functional dependences of the heat fluxes on the time of heat supply, the size of the breaking particles and the penetration depth of the temperature wave into the depth of the metal surfaces are revealed. The reliability of the cooling system is determined by the combined action of capillary and mass forces, and the limiting condition of the porous coatings depends on the value of the heat load, the time of its supply and the depth of penetration of the thermal wave.
Key words: capillary-porous structure, nucleation center, heat flux, heat exchanger.
Генбач А.А., Джаманкулова Н.О.
Электр станцияларының жылу алмастырғыштарының кеуектік құрылымдарында бу фазасының өрбу моделін құру
Түйіндеме. Кеуектік құрылымдарда бу фазасының өрбуінің моделі бу туындысының пайда болу меха- низмін, күйреу мезетіне дейінгі дамуын түсіндіруге мүмкіндік береді. Кеуектік беттің және металл төсеуіштің шектік күйін балқу арқылы, сығылу және созылудың жылулық кернеулері есебінен күйреуі арқылы сипаттауға болады. Жылулық серпімділік мәселелерін шеше отырып, жасалған есептеулер камера көмегімен жүргізілген визуальды бақылаулар арқылы расталды. Жылу ағындарының жылуды беру уақытына, күйреуге ұшыраған бөлшектердің өлшеміне және температуралық толқынның металдық бетке ену тереңдігіне функционалдық тәуелділіктері айқындалды. Салқындату жүйесінің сенімділігі капиллярлық және массалық күштердің бірікті- рілген әрекеті арқылы анықталады, ал кеуектік жабындардың шектік күйі жылулық жүктеменің шамасына, оның берілу уақытына және жылулық толқынның ену тереңдігіне тәуелді.
Кілттік сөздер: кеуектік құрылым, бу туындысы, жылулық ағын, жылу алмастырғыш.
УДК 539.2:533.9.004.14
А.М. Жукешов, А.Т. Габдуллина, М. Мухамедрыскызы, Ж.М. Молдабеков (Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Алматы, Республика Казахстан
ИМПУЛЬСНЫЕ ПОТОКИ ПЛАЗМЫ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ В ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Аннотация. Описано современное состояние и перспективы использования импульсных плазменных по- токов как мощного инструмента в материаловедении, в том числе в нанотехнологии. Рассмотрены вопросы ге- нерации мощных импульсных плазменных потоков и приведены параметры потока для ускорителей КПУ-30 и ПФ-30, разработанных в НИИЭТФ КазНУ им. аль-Фараби. Обсуждаются результаты модификации материалов с применением плазменного ускорителя с коаксиальной геометрией электродов и перспективы использования геометрии «плазменный фокус».
Ключевые слова: импульсные плазменные потоки, плазменный ускоритель, модификация материалов.
В современном индустриальном производстве предъявляются высокие требования к техноло- гическим и эксплуатационным характеристикам конструкционных материалов. В настоящее время наиболее распространенными среди конструкционных материалов остаются металлические сплавы и стали. Поэтому проблема совершенствования технологических методов упрочнения конструкцион- ных сталей, в том числе наноразмерная структурная модификация, является актуальной.
Как известно, обработка импульсными потоками плазмы обладает рядом преимуществ по срав- нению с традиционными технологическими процессами термической и химико-термической обрабо- ток, и с методами воздействия, основанными на использовании других видов концентрированных потоков энергии, к числу которых относятся лазерное излучение, сильноточные электронные и ион- ные пучки и др.
ҚазҰТЗУ хабаршысы №4 2017 37
Первые успешные эксперименты по модификации поверхностных свойств материалов с при- менением импульсных ионных пучков высокой интенсивности были выполнены в начале восьмиде- сятых. Отжиг кремния после имплантации, а также формирование силицидов в результате обработки импульсными пучками протонов с высокой интенсивностью, сгенерированных в магнитоизолиро- ванных диодах высокого напряжения, описаны в [1]. Применимость импульсных плазменных пото- ков BF3 с высокой интенсивностью для формирования p-n переходов в монокристаллическом крем- нии для производства фотогальванических элементов впервые продемонстрировано в 1981 г. в [2].Важнейший параметр импульсной обработки поверхности твердого тела - мощность, падающая на обрабатываемую поверхность. Импульсные ионные и плазменные пучки с мощным потоком энер- гии порядка MВт/см2 могут плавить приповерхностную область, при этом одновременно возможно легирование жидкого слоя. Чтобы избежать повреждений, вызванных сильным кипением и абляцией массы подложки, плотность мощности потока на поверхности должна быть ограничена приблизи- тельно 107 Вт/см2. Также известно, что для существенной модификации полупроводников необходи- мы внедряемые дозы порядка 1014-1015 см-2. В случае металлов и керамики требуемые дозы достигают уровня 1016-1017 см-2. В высоковольтных ионных диодах (типичная длительность импульса 10-7 с, энергия ионов 200-400 кэВ) дозы могут достигать максимум 1014 см-2. Следует отметить, что при мо- дификации металлов ионными пучками с высокими энергиями могут использоваться только тепло- вые эффекты (вызванные быстрым охлаждением, 107-1011 K/с) или эффекты, связанные с быстрым нагреванием и абляцией (ударными волнами). Интенсивные импульсные плазменные потоки с дли- тельностью порядка микросекунды, с энергией ионов 1-10 кэВ, плотностью энергии 1-100 Дж/см2 обеспечивают дозу, которая может достигать значений за импульс более чем в 103 раз по сравнению с ионными пучками. Как показали Шулов и другие исследователи [3], пучки, генериророванные дио- дами высокого напряжения, можно успешно использовать в индустриальных целях. Кроме IPD- метода осаждения, высокая интенсивность импульсных плазменных потоков не находила широкие индустриальные применения до настоящего времени, но в последнее время можно наблюдать возрас- тающий интерес в таком методе модификации различных материалов [4,5].
В наших экспериментах для получения плазменных потоков высокой интенсивности использо- вался импульсный плазменный ускоритель с коаксиальной системой электродов (КПУ). Это тип ускорителя, первоначально созданный для целей термоядерного синтеза, впоследствии успешно при- менялся в обработке материалов. Ускоритель КПУ уже был подробно описан в [6], поэтому ниже представлены лишь наиболее важные характеристики этого устройства. В КПУ, схематично пред- ставленном на рисунке 1а, плазма формируются при импульсном разряде (при низком давлении) между двумя цилиндрическими электродами, когда выполняется условие для высоковольтного про- боя. Энергия для разряда поставляется от емкостного накопителя, рабочий газ вводится через элек- тродинамический газовый клапан, зафиксированный на оси электродов. Для данного устройства воз- можны два режима работы, в зависимости созданных для разряда газа условий. Первый – режим с импульсным напуском газа, при котором регулируется время задержки между моментами запуска газа и подачи высокого напряжения на электроды. В данном режиме вариацией задержки возможно получение очень горячих, но неоднородных сгустков плазмы. Регулирование плотности энергии плазменного сгустка в определенных пределах возможно управлением напряжением зарядки батарей.
Второй режим – с предварительным наполнением рабочей камеры газом до давления, при котором возможен его пробой. В этом режиме регулированием давления возможно получение сгустков с энер- гией и скоростью в широком диапазоне. В обоих режимах плотность энергии плазменного потока находится в диапазоне 5-60 Дж/см2. В режиме с импульсным напуском, при малых временах задерж- ки имеет место эрозия дуги электродов, когда ионы и нейтралы материала электрода присутствуют в плазме. В экспериментах, проводимых на КПУ-30, диаметры внешнего и внутреннего электродов были 90 и 24 мм соответственно. Высоковольтный импульс, прикладываемый на электроды, получа- ли от емкостного накопителя энергией от 3 до 30 кДж. На расстоянии более 15 cм от конца электро- дов получена однородность плазменных потоков 20-30 %. С точки зрения технологического режима, на таких ускорителях возможны два варианта технологии: 1 -режим с плазменной обработкой и 2- режим с плазменным напылением.
38
№4 2017 Вестник КазНИТУ
а б
Рис. 1. Схема ускорителя КПУ-30 (а) и электроды ускорителя ПФ-30 (б)
Значительная часть наших исследований посвящена изучению обработке сталей импульсами азотной плазмы [7-9]. Показано, что высокие дозы азота (порядка 1017 см-2) могут быть внедрены в сталь, используя импульсы азотной плазмы с плотностью потока энергии 20-25 Дж/см2. Как показал спектральный анализ, такие высокие дозы могут быть внедрены при использовании 3-5 импульсов обработки. Обработка велась азотной плазмой с различным количеством импульсов воздействия (от 5 до 30). Было показано, что с ростом количества обработок наблюдается уширение линий аустенита, а содержание нитридной фазы растет. Причина изменения структуры обработанной стали может за- ключаться в быстром остывании поверхностного слоя и формировании модифицированной структу- ры, состоящей как из наноразмерных кристаллитов новых фаз, так и квазиаморфной.
Введенные концентрации азота близки или даже превышают предел, достижимый после дли- тельной ионной имплантации. В любом случае это приводит к увеличению микротвердости (факти- чески, в 2-5 раз для различных марок конструкционной стали) [9]. Значительное увеличение микро- твердости и поверхностной стойкости для сталей различных марок, также как и в [4], связывается с формированием нитридной фазы при обработке импульсной плазмой. Увеличение микротвердости и формирование наноразмерной структуры должно приводить к увеличению сопротивления износа. В нашем случае, для конструкционных сталей, обработанных 3-5 импульсами азота, коэффициент из- носостойкости увеличивался до 4 раз соответственно [10,11].
Шероховатость обработанной поверхности - очень важный фактор для многих практических применений. Известно, что обработка гладких твердотельных поверхностей пучками с высокой ин- тенсивностью ведет к увеличению шероховатости поверхности. С другой стороны, на необработан- ных поверхностях может появляться эффект застекления или сглаживания. В нашем случае, опытным путем установлено, что топология поверхности твердых материалов сложным образом зависит от ве- личины плотности энергии и количества импульсов обработки [12]. При этом важно контролировать степень расплавления поверхности и не допускать кипения, иначе неизбежно появление блистеров, что может сильно ухудшить микроструктуру поверхности. С другой стороны, волны оплавления, формируемые при некоторых режимах, могут быть полезны для получения однородной слегка шеро- ховатой поверхности, а также для чистки поверхности от загрязнений. Поверхностная модификация посредством металлической или газово-металлической плазмы, возможно, очень перспективный и гибкий метод улучшения поверхностных свойств металлов и керамики. Как показано в работах [13,14], для импульсного режима может быть успешно реализован вариант осаждения Cu, Al и других металлов на поверхность путем эрозии электрода ускорителя. Однако, это не единственный способ напыления. Более интересными, на наш взгляд, является возможность смешивания газовой и метал- лической плазмы и их совместная транспортировка до подложки. Здесь открываются большие воз- можности, поскольку импульсным методам присущи большие энергии ионов (до нескольких кэВ), также как и плотности. Недавно нами предложен способ обработки полупроводниковых материалов с целью модификации структуры приповерхностной области [15]. Несмотря на явное разрушение глад- кости поверхности, в некоторых случаях удалось получить поликристаллическую структуру с малы-
ҚазҰТЗУ хабаршысы №4 2017 39
ми размерами блоков (2-10 нм). В этих же экспериментах сообщалось о получении тонких пленок (400 Å) и формировании Si3N4 на поверхности кремния при воздействии азотной плазмой с энергия- ми 10-45 Дж/см2.Для развития дальнейших исследований по плазменной обработке с применением плазменных ускорителей, в лаборатории ИПУ НИИЭТФ КазНУ им. аль-Фараби разрабатывается ускоритель с геометрией электродов типа «плазменный фокус» (ПФ-30). По существу, силовая установка имеет те же параметры что и КПУ-30, однако особая геометрия электродов, показанная на рисунке 1б, позво- ляет получать в точке фокуса более высокую концентрацию энергии. Экспериментальные исследова- ния устройства ПФ-30 показало, что с данной системой электродов достигается плотность энергии потока до 250 Дж/см2, что в четыре раза выше чем на КПУ-30.
Рассмотрим результаты предварительных исследований эрозии материалов на установке ПФ- 30. На установках типа ПФ эрозия поверхности центрального электрода - это распыление, которое может быть использовано для осаждения пленок, т.е. напыления. В этой связи, экспериментально изучены как эрозия электродной системы в целом, так и особенности напыления конкретных матери- алов. Картину эрозии поверхности электродной системы установки ПФ-30 после ряда выстрелов можно рассмотреть на рисунке 1б. Из рисунка видно, что эрозии поверглась в основном торцевая часть центрального электрода, что свидетельствует об контрагировании разряда на поверхности ано- да. В то же время, заметной эрозии боковой части электрода не наблюдалось, что дает основания по- лагать о резком броске тока от основания электрода к его центральной части. При сравнении данной системы с коаксиальной системой ускорителя КПУ обнаружено, что при равном значении тока в си- стеме фокуса разряд не оставляет следов эрозии по боковой поверхности электрода.
Таким образом, высокая плотность энергии в плазменном фокусе позволит более эффективно воздействовать на поверхность материала при обработке, а концентрация плазмы в малой области в точке фокуса позволит увеличить коэффициент распыления. С этой точки зрения открываются пер- спективы применения установки ПФ в технологии наноматериалов. Основным подходом является распыление материала анода электронным пучком, образующимся непосредственно в пинче. При этом элементный состав нанопленок, наносимых на подложки, в основном определяется материалом анода. В последнее время появились публикации, показывающие возможность получения нанострук- тур в плазмофокусном разряде. Например, в работе [16] получены нанопокрытия, обладающие маг- нитными свойствами, при распылении впрессованного в анод Fe-Co. В работе [17] аналогичным об- разом получены нанопокрытия из хрома. Ранее отмечалось также кумулятивное образование облака из наночастиц ванадия при облучении ванадиевой мишени плазменными потоками [18]. В работе [19]
для получения наночастиц использован подход, основанный на конверсии в нанопыль микрочастиц пылевой мишени, формируемой на оси плазмофокусного разряда, под воздействием плазмы и излу- чения пинча.
В представленном в этой статье обзоре перечислены различные версии поверхностной моди- фикации импульсной плазмой. Наиболее важные применения этого метода следующие: формирова- ние больших p-n переходов области омических контактов в кремнии, формирование диэлектрических пленок, легирование сталей азотом, объединенным с одновременной поверхностной рекристаллиза- цией, напыление поверхностных слоев на металлах и керамике, формирование поверхностных спла- вов, предварительная обработка металлов и керамики для покрытий (чистка и промежуточные слои).
Новые перспективы открываются с применением мощных фокусированных пучков плазмы, - это формирование наноструктурированных материалов и осаждение пленок. Ввиду гибкости, что обу- словлено большим выбором материалов, пригодных для обработки и распыления, метод дает новые технологические возможности для практического применения в промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Hodgson R.T., Baglin J.E., Pal R., Neri J.M., Hammer D. Ion beam annealing of semiconductors // Appl Phys Lett. – 1980. – N 37. – P. 187–189.
[2] Piekoszewski J., Gryziсski M., Langner J., Werner Z. Pulse ion implantation – new single doping technique // Phys Status Solidi. – 1981. – N 67. – P. 163–167.
[3] Shulov V.A., Nochovnaya N.A., Remnev G.E., Raybchikov A.I. Modification of the properties of aircraft engine compressor blades by uninterrupted and pulsed-ion beams // Surf Coat Tech. –1997. – 96. – P. 39–44.
[4] Tereshin V.I. at al. Pulsed plasma accelerators of different gas ions for surface modification // Rev. Sci. In- strum. – 2002. – V.73. – N.2. – P. 1-3.
40
№4 2017 Вестник КазНИТУ
[5] Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Langner J. at al. Surface structure changes induced by pulsed plasma streams pro- cessing // Problems of atomic science and technology. Series: Plasma physics. – 1999. – N3(3). – P. 273-275.
[6] Ibraev B.M. Peculiarities of the generation of a plasmoid in a pulsed coaxial accelerator // J. of Engineering Thermophysics. – 2000. – Vol.12. – №2. – P. 183-190.
[7] Baimbetov F.B., Ibraev B.M., Zhukeshov A.M., Pak S.P., Gabdullina A.T., Zhunisbekov A.T., Beysenev D.R. The study of stainless and high-carbon steels structure and surface properties irradiated by pulsed plasma beams //
Contributed Papers of 4 Int.Conf. “Plasma physics and plasma technology”. – Minsk, 2003. – P. 479-482.
[8] Ибраев Б.М. Импульсная плазменная обработка нержавеющей стали. // Известия НАН и МОН РК, се- рия физическая. – 2003. – №6. – С. 12-16.
[9] Жукешов А.М. Изменения в структуре углеродистой и нержавеющей сталей после обработки им- пульсной плазмой // Вестник КазНУ, серия физ. – 2005. – №1(19). – C. 35-38.
[10] Zhukeshov A.M., Amrenova A.U., Gabdullina A.T., Mukhamedryskyzy M. The improvement of stainless
steel properties after pulse plasma processing // International Journal of Materials Science and Applications. – 2013.
– Vol. 3. – No. 2. – Р. 115-119.
[11] Zhukeshov A.M., Gabdullina A.T., Amrenova A.U., Pak S.P. Structure and microhardness of steel samples
after pulse plasma flows processing // Materials Sciences and Applications: Scientific Research Publishing. – 2013.
– №4. – P. 35-41.
[12] Ибраев Б.М, Жукешов А.М. Металлизация поверхности фторопласта методом плазменного облуче- ния // Вестник КазГУ. – 1999. – №7. – C. 278-279.
[13] Погребняк А.Д., Ильяшенко М.В., Кульментьева О.П. и др. Структура и свойства твердого сплава,
нанесенного на медную подложку с помощью импульсно-плазменной технологии // ЖТФ. – 2001. – Т. 71(7).
– С. 111-118.
[14] Баимбетов Ф.Б., Ибраев Б.М., Жукешов А.М. Растровая электронная микроскопия поверхности об- работанных импульсной плазмой полупроводников // Вестник КазГУ. – 2001. – №2(11). – C. 33-36.
[15] Баимбетов Ф.Б., Ибраев Б.М., Жукешов А.М. Обработка поверхности кремния импульсной азотной плазмой // Физика и техника полупроводников. – 2002. – №2. – 36. – C. 137 -138.
[16] T. Zhang et al. // J. Phys.D: Appl.Phys. – 2006. – 39. P. 2212.
[17] M. Chernyshova et al., // Czechoslovak Journal of Physics. – 2006. – Vol. 56. – P. 237.
[18] Л.И. Иванов и др. // Перспективные материалы. – 2004. – №3. – C. 31.
[19] Виноградов В.П., Гуреев В.М., Койдан В.С., и др. Исследование процессов трансформации микроча- стиц в наноструктуры в разряде типа плазменный фокус. // XXXV Международная (Звенигородская) конферен- ция по физике плазмы и УТС. – Звенигород, 2008. – C. 1.
Жукешов А.М., Габдуллина А.Т., Мухамедрысқызы М., Молдабеков Ж.М.
Импульсті плазма ағындары материалтану технологиясындағы перспективалық құрал ретінде Түйіндеме. Мақала оқырманды импульсті плазма ағындарын материалтануда, сондай-ақ нанотехноло- гияда қуатты құрал ретінде қолдану перспективалары мен қазіргі заманғы күйімен таныстырады. Қуатты им- пульсті плазмалық ағындар генерациясы мәселелері қарастырылған және әл-Фараби атындағы ҚазҰУ ЭТФҒЗИ құрастырылған КПУ-30 және ПФ-30 үдеткіштері үшін ағын параметрлері келтірілген. Коаксиалды геометриялы электродты плазмалық үдеткіш қолданылуымен материалдар модификациясы нәтижелері мен «плазмалық фо- кус» геометриясының қолданылу перспективалары талқыланады.
Кілтті сөздер: импульсті плазмалық ағындар, плазмалық үдеткіш, материалдар модификациясы.
Zhukeshov А.М., Gabdullina А.Т., Mukhamedryskyzy М., Moldabekov Zh.М.
Pulsed plasma flows as perspective tool in materials science technology
Summary. The article introduces the current state and prospects of using pulsed plasma flows as a powerful tool in materials science, including nanotechnology. The problems of generation of a powerful pulsed plasma streams are considered and given the stream parameters for the accelerators KPU-30 and PF-30 designed in NRIETPh Al-Farabi KazNU. The results of modification of materials using a plasma accelerator with a coaxial geometry of electrodes and prospects of using the geometry of "plasma focus" are discussed.
Key words: pulsed plasma flows, plasma accelerator, materials modification.
ҚазҰТЗУ хабаршысы №4 2017 41
УДК 539.21:539.12.04:669.3М.С. Мережко, Д.А Мережко, О.П.Максимкин (РГП Институт ядерной физики РК,
Алматы, Республика Казахстан, [email protected])
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОГО МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ 12Х18Н10Т И AISI 304, ОБЛУЧЁННЫХ
НЕЙТРОНАМИ
Аннотация. Выполнены механические испытания образцов аустенитных сталей 12Х18Н10Т и AISI 304, различающиеся величиной энергии дефекта упаковки, c применением методов «цифровой маркерной экстензо- метрии» и магнитометрии. Определены характеристики прочности и пластичности, которые для стали AISI 304 значительно выше чем для стали 12Х18Н10Т. Построены кривые деформационного-индуцированного мартен- ситного превращения. Обсуждается влияние химического состава аустенитных сталей и нейтронного облуче- ния на кинетические параметры прямого γ→α'-перехода.
Ключевые слова: Мартенсит, Аустенитные стали, Прочность, Пластичность, Нейтронное облучение.
ВВЕДЕНИЕ. Выбор конструкционных материалов для устройств активной зоны ядерных реакторов основывается в большинстве случаев на уровне их механических свойств, которые значительно изменяются под воздействием таких факторов, как агрессивные среды, температура и реакторное облучение. Согласно литературным данным, воздействие нейтронного облучения на деформационную способность конструкционных аустенитных сталей и сплавов в области температур испытания 20-200°С приводит к значительному снижению относительного удлинения, (низкотемпературному радиационному охрупчиванию) [1].
При этом важную роль в процессе деформации облученных материалов играет локализация пластического формоизменения. Так в работе [2] показано, по достижению определенной дозы облу- чения (~15 сна для стали AISI 316 LN) материал сразу после начала растяжения деформируется лока- лизовано, минуя стадию равномерной деформации.
Значительное влияние на параметры прочности и пластичности некоторых аустенитных сталей оказывают протекающие в них в процессе холодной деформации бездиффузионные фазововые пре- вращения, в частности, образование в аустенитной матрице пластин α'-мартенсита, которые возника- ют под действием пластической деформации или напряжений при температурах в интервале Мн<Т<Мд (Мн и Мд — точки начала мартенситного превращения при охлаждении и деформации, со- ответственно). В случае прямого γ→α'-превращения, было показано, что своевременное образование в процессе деформации более прочной по сравнению с аустенитом мартенситной фазы увеличивает пластичность [3] и энергоемкость [4] материала. Была зарегистрирована аномально высокая пластич- ность выскооблученного (55 сна) материала [5], вследствие появления «волны пластической дефор- мации», которая объясняется оптимальным соотношением деформационного упрочения, образую- щейся в ходе деформации мартенситной фазы во фронте «волны» и геометрического разупрочнения.
К настоящему времени, влиянию облучения на закономерности прямого γ→α'-перехода посвя- щено большое количество работ [6-8]. Однако, влияние химического состава и нейтронного облуче- ния на деформационно-индуцированное мартенситное превращение в аустенитных сталях изучено пока еще в недостаточной степени.
Исследуемый материал, методы исследования
Исследовали нержавеющие хромоникелевые стали, широко используемые в реакторостроении, 12Х18Н10Т и AISI 304, химический состав которых представлен в таблице 1:
Таблица 1. Химический состав сталей 12Х18Н10Т и AISI-304, вес %:
Материал Fe C Si Ti Cr Mn N Ni Mo Nieq [9]
12Х18Н10Т Основа 0,07 0,17 0,4 18,86 1,86 - 9,38 0,25 24,8 AISI 304 Основа 0,16 0,38 - 18,91 1,68 0,01 7,72 - 23,6