Теоретически обоснована [1-4] и доказана экспериментально [1, 3-10] (см. также п. 2-8 настоящего раздела) важная для радиационной физики конденсированного состояния роль формирования (в ходе корпускулярного облучения твёрдых тел нейтронами, ускоренными ионами и осколками деления) наноразмерных зон (d ~ 5-10 нм) взрывного энерговыделения, представляющих собой термализуемые за времена порядка 10-12 с области прохождения плотных каскадов атомных смещений, разогреваемые до 3000-6000 К и выше (thermal spikes). Быстрое расширение таких областей сопровождается эмиттацией послекаскадных ударных либо мощных упругих волн, давление на фронте которых превышают не только реальный, но и теоретический предел текучести материалов.
Наномасштабные радиационно-динамические эффекты при каскадообразующем облучении: (a) мишень, например, чистые металлы (Fe, W, Zr etc.); (b) формирование послекаскадных ударных волн.
Такие волны способны осуществлять кардинальную перестройку неравновесных (метастабильных[1]) конденсированных сред. Это не учитывалось классической радиационной физикой твердого тела.
Структурно-фазовые превращения в метастабильных средах при ионном облучении.
Превращения инициируются на фронте ударных волн, возникающих в поверхностных слоях материалов, в результате эволюции плотных каскадов атомных столкновений, и сопровождаются формированием уникальных электрических, магнитных, механических, коррозионных других свойств материалов. Инициируемые ионной бомбардировкой самораспространяющиеся фазовые превращения в метастабильных металлических сплавах вызвали широкий интерес российских и зарубежных ученых (США, ФРГ, Японии, Англии, Италии и др.).
Объекты исследования. Основные преимущества ионной лучевой обработки этих материалов с использованием радиационно-динамических эффектов.
На основе анализа спектров энергетической светимости металлических мишеней в ходе их облучения тяжелыми ионами низких и средних энергий впервые экспериментально подтвержден факт существования термических пиков (thermal spikes) [3, 4] ‒ наноразмерных областей взрывного энерговыделения, разогреваемых в течение ~ 10-12 с до температур порядка 3000-6000 К, являющихся продуктами эволюции плотных каскадов атомных смещений, и измерена температура этих областей в ряде металлов: Fe, W, Zr, Ti, Al. Оценены тепловые давления [4] в объеме термических пиков (составляющие 5-40 ГПа и более). Послекаскадные мощные упругие и ударные волны сжатия, способны инициировать объемные перестройки в метастабильных средах при их поверхностном облучении.
Спектральный состав свечения мишеней Fe при облучении ионами Ar+ с энергией 15 кэВ: (a) эксперимент (Texp = 5300 K, Ttarget = 530 K); (b) диаграмма, иллюстрирующая формирование спектрального состава свечения.
Другое экспериментальное подтверждение образования термических пиков (thermal spikes) получено в экспериментах по облучению ионами Ar+ и Xe+ (E = 20 кэВ) металлических нанопроволок из чистого Ni и из сплава Fe56Ni44 диаметром 60 и 100 нм [8-10]. Области термических пиков наблюдаются методом сканирующей электронной микроскопии в виде приповерхностных следов оплавления диаметром 10-20 нм.
Локальное оплавление нанопроволок of Fe56Ni44 толщиной 60 нм в области темических пиков в ходе ионного облучения: (a) – исходное состояние, (b) – облучение ионами Ar+, (c) – облучение ионами Xe+.
Искривление и разрушение нанопроволок объясняется генерацией и распространением мощных упругих и ударных послекаскадных волн.
Воздействие ионов Xe+ (131 а.е.м.) является более интенсивным: по сравнению с ионами Ar+ (40 а.е.м.). Наблюдается более существенное искривление нанопроволок с образованием узлов («почек») и даже «веток», вследствие возможного процесса выплескивания областей термических пиков наружу из НП. Это обусловлено более высоким (примерно в 2,5 раза) энерговыделением в расчете на атом каскада в случае ионов Xe+.
Важным свидетельством в пользу гипотезы о существенной роли динамических эффектов дальнодействия при корпускулярном облучении, не учитывающихся классической радиационной физикой твердого тела, являются сравнительные эксперименты [11] по ионной бомбардировке и механическому ударному нагружению. Эти эксперименты на образцах сплавов ВД1 и Д16 системы Al-Cu-Mg, выполнены совместно с РФЯЦ ВНИИТФ (г. Снежинск).
Микроструктура сплава Д16: a, b − после облучения ионами Ar+ (Е = 40 кэВ, j = 500 мкА/см2, F = 5×1016 см-2);
c, d − после ударного воздействия: a, c − светлопольные изображения субзеренной структуры;
b, d − темнопольные изображения частиц Mg2Cu6Al5 в рефлексах фазы.
Холоднокатаные образцы алюминиевых сплавов ВД1 и Д16, идентичные облучавшимся ускоренными ионами (диски диаметром 30 мм из пластин той же толщины), были подвергнуты механическому ударному нагружению на специальных стендах РФЯЦ ВНИИТФ, с использованием массивного ударника диаметром 30 мм, толщиной 6 мм, из материала плотностью 2.65 г/см3, движущегося со скоростью, соответственно, 399.2±0.4 и 412±0.7 м.с м/с. При этом температура разогрева образцов в неупругом процессе взаимодействия не превышала 300 оС, как и при ионном облучении невысокими флюенсами (D < 1017 см-2).
Установлено, что изменения микроструктуры этих сплавов в результате механического ударного воздействия аналогичны изменениям, инициируемым ионной бомбардировкой (Ar+, 20-40 кэВ) при относительно невысоких флюенсах (1015-1016 см-2), набираeмых всего лишь за 1-8 c облучения. Это относится к трансформации ячеистой дислокационной структуры в субзеренную и преобразованию θ′′-фазы в фазу Al6Cu5Mg2 и является важным косвенным подтверждением ударно-волновой природы процесса при ионной бомбардировке.
С использованием обнаруженных наномасштабных динамических эффектов и низкодозных эффектов дальнодействия (на основе быстропротекающих в течение нескольких секунд процессов) в сотрудничестве с ООО «Синтез ПКЖ» (г. Дзержинск) предложен метод ионно-лучевой обработки порошка карбонильного железа [12], повышающий его намагниченность насыщения на 1,8 % и обеспечивающий 5-10-кратное увеличение добротности катушек индуктивности для радиоэлектроники с сердечником из композита «диэлектрик – карбонильное железо» в диапазоне частот 0,01 – 5 МГц. Наблюдаемые эффекты связываются с переходом метастабильной среды в более равновесное состояние.
Увеличение добротности катушек индуктивности для радиоэлектроники с сердечником из композита «диэлектрик – карбонильное железо» в 5-10 раз в диапазоне частот 10-5000 кГц.
Обнаружено явление быстрого радиационного отжига [13-24], в течение нескольких десятков секунд при пониженных на 150-200 К температурах, пучками ускоренных ионов Ar+ с энергиями 20-40 кэВ полос (толщиной 1-3 мм) промышленных алюминиевых сплавов систем Al-Mg, Al-Li-Cu-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Mg-Li-Zn (используемых в качестве конструкционных материалов, в том числе, в аэрокосмической и атомной технике). Радиационный отжиг приводит к протеканию во всем объеме этих сплавов (при глубине проникновения ионов < 0,1 мкм) процессов рекристаллизации. В отличие от термического отжига, по всей глубине полос протекают также интенсивные процессы измельчения и растворения грубых интерметаллидов кристаллизационного происхождения и наблюдается образование наноразмерных частиц интерметаллидов измененного состава, что благоприятно влияет на механические и ресурсные характеристики этих сплавов.
Образцы промышленных алюминиевых сплавов (a, b, c) и данные металлографического анализа, свидетельствующие о рекристаллизации сплава 1441 (Al-Li-Cu-Mg) по всей толщине образца 3 мм в результате облучения ионами Ar+ (E = 40 кэВ, j = 400 мкА/cм2, F = 1.25·1016 cм-2, 5 с).
Механические свойства алюминиевых сплавов после различных видов обработки
Сплав АМг6: (a) после холодной деформации (ячеиста дислокационная структур, грубые интерметаллиды кристаллизационного происхождения); (b) после печного отжига, T = 320 °C в течение 2 ч (крупные рекристаллизованные зерна, грубые интерметаллиды); (c) после облучения ионами Ar+, E = 20 кэВ, j = 150 мкА/см2, tirr = 135 с (рекристаллизованные зерна, уменьшение размеров интерметаллидов и их частичное растворение).
(δ – относительное удлинение, Е – энергия ионов Ar+, j – плотность ионного тока).
На основе использования радиационно-динамических эффектов совместно с ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» разработан метод быстрого (в течение нескольких секунд) холодного радиационного отжига полос промышленных алюминиевых сплавов. Получен патент: Способ получения листового проката из алюминиевых сплавов: патент РФ № 2363755 / Овчинников В.В., Гаврилов Н.В., Гущина Н.В., Школьников А.Р., Можаровский С.М., Филиппов А.В.; патентообладатель ОАО «КУМЗ»; пат. поверенный Янц В.К. № 2006143709/02. Заявл. 08.12.2006. Опубл. 10.08.2009. Бюл. № 22. Приоритет 08.12.2006.
Совместно с ФГУП «ВИАМ» (г. Москва), разработана лабораторная технология промежуточного между операциями холодной прокатки разупрочняющего радиационного отжига [23, 24] пучком ускоренных ионов Ar+ (E = 40 кэВ) авиационного сплава третьего поколения 1424 (Al-Mg-Li-Zn), не поддающегося термическому отжигу. Сплав имеет пониженную плотность (2,54 г/см3), повышенные характеристики вязкости разрушения и трещиностойкости. Для разупрочнения этого сплава используется трудоемкая операция нагрева под закалку и полистного охлаждения в селитровой ванне.
Кратковременное облучение холоднодеформированного сплава 1424 обеспечивает регламентированный уровень свойств, необходимый для холодной прокатки, что в перспективе позволяет реализовать технологию его рулонной прокатки.
Механические свойства сплава 1424 (Al-Mg-Li-Zn) после различных видов обработки и результат холодной прокатки этого сплава от 7,6 до 1,2 мм с промежуточными радиационными отжигами.
Совместно с ИФМ УрО РАН разработан режим радиационного отжига чистого молибдена пучком ионов аргона после интенсивной пластической деформации. Оптимальные режимы воздействия обеспечивают получение однородной субмикрозернистой структуры при существенном снижении температуры рекристаллизации (на 200 K, с 1323 до 1073 K) и уменьшении размера зерна (с 0,8 до 0,45 мкм) по сравнению с термическим отжигом [25].
Структура Мо после деформации на 3 оборота (е=6,5) при 290 К (а) и после оптимального режима
облучения: Е = 20 кэВ, j = 300 мкА/см2, D = 1,3·1018 см-2.
Совместно с фирмой ООО «ГАММАМЕТ» показано, что облучение аморфной ленты магнитомягкого сплава Fe72.5Cu1Nb2Mo1.5Si14B9 ионами Ar+ с энергией 30 кэВ флюенсом 3,75·1015 см-2 (набор дозы в течение ~2 с) при разогреве ленты пучком до 620 К (что на 150 K ниже термического порога кристаллизации) приводит к полной кристаллизации этого сплава по всей толщине ленты (25 мкм) при проективном пробеге ионов аргона всего лишь 14,4 нм [26, 27] Это сопровождается изменением магнитных свойств сплава. Степень совершенства образующихся кристаллов твердого раствора α-Fe(Si), близкого по составу к Fe80Si20, стабильной фазы Fe3Si и метастабильных гексагональных фаз выше, чем после стандартного печного отжига в течение 1 ч при 670 К.
Процесс нанокристаллизации лент аморфного сплава Fe72,5Cu1Nb2Mo1,5Si14B9 под воздействием ионов Ar+
(E = 30 кэВ, j = 300 мкА/см2, F = 3.7·1015 cм–2: (a) исходное аморфное состояние; (b) после печного отжига, T = 840 K, 1 ч; (c) облучение, T = 620 K, 2 с; (d) облучение и последующий отжиг при T = 840 K, 1ч.
В работах [28-31] было обнаружено существенное влияние радиационной обработки пучками ионов на атомную и магнитную структуру трансформаторных сталей, пермаллоя и нанокристаллических магнитомягких материалов близкого состава. Достигнуто снижение потерь трансформаторных сталях и нанокристаллических и аморфных лентах на 5-35% в частотном диапазоне от 50 до 10 000 Гц. Получен патент (совместно с ИФМ УрО РАН, 2008 г. [32]).
Магнитная доменная структура трансформаторной стали Fe+3 мас. % Si до (а) и после (б) облучения ионами Ar+ (Е = 20 кэВ).
Литература
V.V. Ovchinnikov, Self-propagating phases transformations in metastable media induced by ion bombardment, Proc. SPIE, 2259 (1994) 605–608.
V.V. Ovchinnikov, Radiation-dynamic effects. Potential for producing condensed media with unique properties and structural states, Phys.–Usp., 51 9 (2008) 955–974.
V.V. Ovchinnikov, F.F. Makhin’ko, V.I. Solomonov et al, Optical Emission from Metal Targets Bombarded by 5–20 keV Argon Ions, Tech. Phys. Lett., 38 (2012) 42–46.
V.V. Ovchinnikov, F.F. Makhin’ko, V.I. Solomonov, Thermal-spikes temperature measurement in pure metals under argon ion irradiation (E = 5-15 keV), J. of Phys.: Conf. Ser., 652 (2015) 012070.
V.V. Ovchinnikov, B.Yu. Goloborodsky, N.V. Gushchina, V.A. Semionkin, E. Wieser, Enhanced Atomic Short-Range Ordering of Alloy Fe-15 at.% Cr Caused by Ion Irradiation at Elevated Temperature and Thermal Effects Only, Appl. Phys. A. 83 (2006) 83–88.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, S.V. Ovchinnikov, Mӧssbauer and Resistometric Study of α(bcc) → γ(fcc) Phase Transformation Induced by Ion Bombardment and Intraphase Processes in the Fe+8.25 at % Mn Alloy, Phys. Met. Metallogr., 116 (2015) 1234–1243.
N.V. Gushchina, V.V. Ovchinnikov, A. Mücklich, Acceleration of volume decomposition of supersaturated Al + 4 wt. % Cu solid solution under irradiation with Ar+ ions, Phys. Stat. Sol. B, 253 (2016) 770–777.
S.A. Bedin, F.F. Makhin'ko, V.V. Ovchinnikov et al, Radiation Stability of Metal Nanowires, IOP Conf. Ser.: Mat. Sci. and Eng., 168 (2017) 012096.
S.A. Bedin, V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina et al, Role of Thermal Spikes in Radiation Stability of Metal Nanowires under Exposure to Соntinuous and Powerful Pulsed Ion Beams, High Temperature Material Processes, 21 2 (2018) 91-107.
S.A. Bedin, V.V. Ovchinnikov, G.E. Remnev et al, Radiation Stability of Metal Fe0.56Ni0.44 Nanowires Exposed to Powerful Pulsed Ion Beams, Phys. Met. Metallogr., 119 1 (2018) 44-51.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, I.Yu. Romanov et al, Structural changes in alloys of the Al–Cu–Mg system under ion bombardment and shock-wave loading, Russ. Phys. J., 59 (2017) 1521–1527.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, F.F. Makhin’ko et al, Ion-beam treatment of carbonyl iron powders in order to improve the functional characteristics of cores for electronic devices made of dielectric ‒ carbonyl iron composite, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Fiz., 56 1/2 (2013) 167-170.
A.R. Shkol’nikov, V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushina et al, Change in the dislocation structure and the phase composition of AMg6 alloy under irradiation with 40 keV Ar+ ions, Izv. TPU, 308 (2005) 58–64.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, L.S. Chemerinskaya et al, Effect of Ar+ ions implantation on phase composition, microstructure and strength characteristics of Al-Mg alloy, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Fiz., 8, Suppl. (2006) 350–353.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, F.F. Makhin’ko et al, Structural features of aluminium alloy 1441 irradiated by Ar+ ions, Russ. Phys. J., 50 (2) (2007) 177–186.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, F.F. Makhin’ko, L.S. Chemerinskaya et al, Analysis of Changes in the Structural State of the VD1 Alloy (Al–Cu–Mg–Mn) under the Effect of Ion Irradiation (Ar+, E = 40 keV) Using Transmission Electron Microscopy, Phys. Met. Metallogr., 105 (2008) 375–382.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gavrilov, N.V. Gushchina et al, Radiation annealing of AMg6, 1441, and VD1 aluminum alloy strips using a ribbon source of accelerated ions, Russ. metall. (Metally), 3 (2010) 207–213.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, D.B. Titorov et al, Study of the Texture of Aluminum Alloys after Cold Rolling, Annealing, and Irradiation by Ar+ Ions, Phys. Met. Metallogr., 109 (2010) 77–85.
V.V. Ovchinnikov, G.E. Remnev, N.V. Gushchina et al, Variations in Microstructure of Cold-Deformed Aluminum-Lithium Alloy 1441 Initiated Powerful Pulsed Ion Beams, Russ. J. of Non-Ferr. Met., 52 (2011) 304–310.
S.M. Mozharovsky, V.V. Ovchinnikov, A.A. Klepikova et al, Changes in the structure, phase composition, and mechanical properties of deformed aluminum 1960 grade alloy during Ar+ ion implantation, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Fiz., 54 (2011) 101–106.
N.V. Gushchina, V.V. Ovchinnikov, A.A. Klepikova, L.I. Kaigorodova, Effect of medium-energy Ar+ ion irradiation on the structure and properties of the cold-worked alloy of the Al–Cu–Mg–Mn system, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Fiz., 57 (2014) 288–291.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, S.M. Mozharovsky, L.I. Kaigorodova, Low-temperature volume radiation annealing of cold-worked bands of Al-Li-Cu-Mg alloy by 20-40 keV Ar+ ion, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. and Eng., 168 (2017) 012067.
V.V. Ovchinnikov, S.M. Mozharovsky, N.V. Gushchina, F.F. Makhin’ko et al, Feasibility Study of Radiation Annealing of Alloy 1424 (Al-Li-Mg-Zn-Mn) with Accelerated Argon Ion Beams., Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Fiz., 57 (2014) 222–226.
V.V. Ovchinnikov, S.M. Mozharovsky, N.V. Gushchina, F.F. Makhin’ko et al, Radiation annealing of the alloy 1424 (Al–Mg–Li–Zn) with continuous powerful beams of accelerated ions., Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Fiz., 57 (2014) 206–211.
V.V. Ovchinnikov, N.V. Gushchina, T.M. Gapontseva et al, Optimal deformation and ion irradiation modes for production of a uniform submicrograin structure in molybdenum, High Pressure Research, 5 (2015) 300-309.
V.V. Ovchinnikov, F.F. Makhin’ko, N.V. Gushchina et al, Effect of Ion Irradiation on the Nanocrystallization and Magnetic Properties of Soft Magnetic Fe72.5Cu1Nb2Mo1.5Si14B9 Alloy, Phys. Met. Metallogr., 118 (2017) 150–157.
I.Yu. Romanov, N.V. Gushchina, V.V. Ovchinnikov et al, The Effect of Ion Irradiation on Nanocrystallization and Surface Relief of from Fe72.5Cu1Nb2Mo1.5Si14B9 alloy, Russian Physics Journal, 60, 10 (2018) 1823-1831.
B.K. Sokolov, V.V. Gubernatorov, Yu.N. Dragoshanskii et al, Effect of ion-beam treatment on the magnetic properties of soft magnetic materials, Phys. Met. Metallogr., 89 (2000) 348–357.
Yu.N. Dragoshanskii, V.V. Gubernatorov, B.K. Sokolov, V.V. Ovchinnikov, Structural inhomogeneity and magnetic properties of soft magnetic materials, Dokl. Phys., 47 (2002) 302–304.
V.V. Gubernatorov, T.S. Sycheva, Yu.N. Dragoshanskii, V.V. Ovchinnikov, V.A. Ivchenko, The impact of bombardment by accelerated ions on effects related to the thermomagnetic treatment of ferromagnetic materials, Dokl. Phys., 51 (2006) 493–495.
V.V. Gubernatorov, T.S. Sycheva, L.R. Vladimirov et al, Effects of ion irradiation and magnetic field on primary recrystallization of metals, Phys. Met. Metallogr., 107 (2009) 68–72.
V.V. Gubernatorov, Yu.N. Dragoshanskii,V.A. Ivchenko, V.V. Ovchinnikov, T.S. Sycheva, Method of thermomagnetic treatment of magnetically soft materials, RF Patent no. 2321644, MPK C21D 1/04 (2006/01), Byull. Izobr., 10 (2008).
[1]
Таковыми являются все металлические сплавы, различающиеся энергиями парных межатомных взаимодействий, при температурах < 600-700 K в силу замороженности процессов диффузии.
