Инженерия поверхностей конструкционных материалов с использованием плазменных и пучковых технологий

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ
Физико-технический институт
Объединенный институт машиностроения

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ПЛАЗМЕННЫХ 
И ПУЧКОВЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ

Минск
«Беларуская навука»
2017

УДК 621.793.184+621.793.74

Инженерия поверхностей конструкционных материалов с использованием плазменных и пучковых технологий / А. В. Белый [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2017. – 457 с. – ISBN 978-985-08-2140-9.

Монография посвящена методам обработки материалов с применением концентрированных потоков энергии. Основное внимание уделено вопросам формирования структуры и свойств 
поверхностного слоя конструкционных, инструментальных и функциональных материалов 
под воздействием лазерных, электронных и ионных пучков, плазменных потоков. Приведена краткая характеристика современного оборудования для обеспечения лазерной, ионно-  
и электронно-лучевой обработки, нанесения ионно-плазменных покрытий.
Монография рассчитана на специалистов научно-исследовательских институтов, объединений, предприятий, занимающихся вопросами упрочняющей обработки металлов, сплавов  
и керамических материалов. Может быть полезна студентам высших учебных заведений, магистрантам и аспирантам соответствующих специальностей.
Ил. 270. Табл. 53. Библиогр.: 779 назв.

А в т о р ы:

А. В. Белый, А. С. Калиниченко, О. Г. Девойно, В. А. Кукареко

Р е ц е н з е н т ы:

академик НАН Беларуси В. В. Клубович,
доктор технических наук, профессор В. М. Капцевич

ISBN 978-985-08-2140-9
           © Оформление. РУП «Издательский дом

 «Беларуская навука», 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ

Во всем мире развитие пучковых и плазменных технологий обработки 
материалов характеризуется положительной динамикой. Ежегодный прирост 
объема производства продукции, получаемой с использованием таких технологий, достигает 15–20 %. Уже сегодня в промышленности и других областях 
реального сектора экономики Беларуси, во многих экономически развитых 
странах мира широко применяются технологические процессы получения  
и обработки материалов с использованием лазерных, электронных и ионных 
пучков, плазменных потоков, токов высокой частоты, ультразвукового излучения. Насыщенность оборудованием, которое работает на основе плазменных и пучковых технологий, в передовых промышленных странах является 
одним из важнейших показателей технологического развития. К отраслям, 
которые широко используют технологии, основанные на применении концентрированных потоков энергии, относятся микроэлектроника, автомобильная, 
аэрокосмическая, химическая, приборостроительная, инструментальная промышленность, машиностроение, металлургия и т. д. Разработка таких технологий базируется на результатах новейших фундаментальных исследований  
в области физики конденсированного состояния, неравновесной термодинамики, инженерии поверхностей, физики взаимодействия высокоэнергетических частиц с конденсированными средами.
Проведенные исследования обеспечили получение новых знаний и представлений в области генерации и транспортировки концентрированных потоков энергии, их взаимодействия с конденсированными средами различной 
физической природы, создание новых методов и технологических процессов 
получения и обработки материалов.
В монографии рассмотрены вопросы формирования структуры и свойств 
поверхностного слоя в условиях сверхбыстрого нагрева и охлаждения при 
воздействии концентрированных потоков энергии. Приводятся результаты 
исследований особенностей формирования структуры и свойств в процессах 
лазерной закалки, оплавления, легирования и наплавки защитных покрытий. 
Рассмотрены вопросы формирования метастабильных структур в условиях 
неравновесного затвердевания. Показана взаимосвязь между технологическими параметрами лазерной обработки, формируемой структурой и износостойкостью полученных покрытий.

Общим базисом создания новых технологических процессов и оборудования для получения и обработки материалов с применением концентрированных потоков энергии различной природы является установление закономерностей перехода конденсированных сред в сильно возбужденное состояние, 
кинетики и траекторий релаксации возбуждений в многокомпонентной системе, исследование особенностей диффузионных процессов и структурно-фазовых превращений, индуцированных концентрированными потоками энергии.
В работе представлены результаты фундаментальных и прикладных научных исследований по разработке высокоэффективных энергосберегающих 
технологических процессов получения и обработки материалов с использованием плазменных потоков, ионных, электронных и лазерных пучков, выполненных авторами.
Проведенные исследования обеспечили получение новых знаний и представлений в области генерации и транспортировки концентрированных потоков энергии, их взаимодействия с конденсированными средами различной 
физической природы, создание новых методов и технологических процессов 
получения и обработки материалов.
Очевидные преимущества применения пучковых и плазменных техноло- 
гий состоят в простоте управления, гибкости технологии, возможности ускорять частицы до практически любой необходимой энергии, чистоте, воспроиз- 
водимости и контролируемости параметров обработки, возможности локальной обработки поверхности. По сравнению с традиционными видами химико-термической обработки, пучковые и плазменные технологии являются 
экологически чистыми, позволяют существенно снизить температуру процесса  
и многократно повысить его производительность. Использование для обработки частиц, энергия которых на несколько порядков превышает характерные 
значения энергии межатомных взаимодействий в твердых телах, обеспечи- 
вает развитие структурно-фазовых превращений в условиях, далеких от термодинамически равновесных и, как следствие, возможность получения поверхностных слоев с уникальной структурой и комплексом свойств. 
Лазерные пучки, пучки заряженных частиц и потоки плазмы широко используются в научных исследованиях и разнообразных практических применениях. Они используются для изготовления изделий микроэлектроники, 
приборостроения, упрочняющей обработки конструкционных материалов и инструмента, нанесения защитных покрытий, создания композиционных материалов, в процессах скоростного прототипирования и т. д. В настоящее время ионная имплантация применяется практически во всех развитых странах 
мира, где эксплуатируются тысячи промышленных импланторов различного 
назначения.
В монографии в сжатой форме изложены современные представления  
о закономерностях взаимодействия высокоэнергетических частиц с рядом 
широко применяемых в технике металлов и сплавов, оборудовании для ионно-лучевой, лазерной и ионно-плазменной обработки. Рассмотрены физические 

модели и механизмы микроструктурных и фазовых превращений в поверхностных слоях твердых тел, происходящие под воздействием частиц высокой 
энергии. Описаны основные механизмы развития радиационно-стимулированной диффузии, аморфизации, образования метастабильных и нанокристаллических структур в поверхностных слоях обрабатываемых материалов. Значительное внимание уделено анализу напряженно-деформированного состояния 
модифицированных поверхностных слоев, влиянию механических напряжений на развитие диффузионных процессов и структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях конденсированных сред.
Установлены и описаны важнейшие механизмы повышения усталостной 
прочности и износостойкости поверхностных слоев. Рассмотрены возможности и преимущества применения многокомпонентных потоков частиц для модифицирования поверхностей конструкционных материалов.
Представленные в монографии результаты получены в результате многолетнего творческого сотрудничества ученых и специалистов Белорусского 
национального технического университета, Объединенного института машиностроения и Физико-технического института Национальной академии наук 
Беларуси.
Авторы благодарят своих коллег, прежде всего, М. А. Белоцерковского,  
А. А. Колесникову, А. Г. Кононова, В. Е. Овчаренко, А. Патеюка, Ю. П. Шаркеева,  
С. К. Шиха за многолетнее сотрудничество и помощь в проведение совместных 
исследований, обсуждение и интерпретацию их результатов. Авторы признательны также рецензентам монографии академику В. В. Клубовичу и профессору В. М. Капцевичу, взявшим на себя труд внимательно прочесть рукопись 
и сделать ряд полезных замечаний, учтенных в окончательном варианте.
Сложность и многообразие процессов, протекающих в поверхностных слоях 
конденсированных сред при воздействии пучков и потоков высокоэнергетических частиц, несомненно, требует их дальнейшего изучения. Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания читателей.

Глава 1

ПОгЛОщЕнИЕ энЕРгИИ ПРИ ЛазЕРнОм, эЛЕктРОннОм  

И ИОннОм ОбЛучЕнИИ тВЕРДых тЕЛ

Высокоэнергетические методы воздействия, при которых за десятки наносекунд выделяется энергия плотностью в несколько джоулей на квадратный 
сантиметр, в настоящее время достаточно широко используются для модификации структуры приповерхностных слоев материалов различной химической природы.
Лазерные, электронные, ионные пучки и плазменные потоки могут обеспечить столь быстрый нагрев поверхностных слоев, что температура объема 
материала практически не изменяется. Ниже будут рассмотрены различные 
механизмы взаимодействия высокоэнергетических частиц с твердым телом. 
Степень поглощения лазерного излучения веществом зависит, прежде всего, 
от его физического состояния и длины волны. Полная поглощенная энергия 
лазерного излучения сильно зависит также от отражательной способности поверхности мишени.
Чаще всего для нагрева поверхностей используется лазерное излучение, 
однако применяют также электронные и ионные пучки, потоки плазмы. Пучки частиц обеспечивают более эффективное выделение энергии, что является 
следствием фундаментальных физических процессов их рассеяния и механизмов потери энергии. Для большинства частиц при энергии до 100 кэВ тепловой источник, т. е. область выделения энергии излучения, имеет протяженность 
не более нескольких микрометров. Максимумы выделяющейся энергии и тем- 
пературы при использовании заряженных частиц в отличие от лазерного  
излучения могут располагаться на некотором расстоянии от поверхности. При 
бомбардировке заряженными частицами плотность выделяющейся энергии  
не зависит от физического состояния мишени, что не характерно для обработки 
с применением лазерного излучения. 
При использовании лучевой обработки поверхностей во многих случаях 
применяются импульсные пучки. В случае лазерной обработки длительность 
импульса может составлять несколько пикосекунд и меньше. Выделяющаяся 
при этом мощность может оказаться весьма значительной. Выделение 1 Дж 
энергии на 1 см2 за 10 нс соответствует удельной мощности 100 МВт/см2.
Взаимодействие фотонов с веществом обусловлено главным образом электронными возбуждениями. При использовании фотонов от инфракрасных  
до ультрафиолетовых длин волн в процессах возбуждения атомов мишени 

участвуют валентные электроны и электроны проводимости. В металлах свет 
поглощается свободными электронами, в то время как зона проводимости 
почти пуста. Межзонные переходы под действием света имеют место, если 
энергия фотонов больше, чем энергетическая щель между валентной зоной  
и зоной проводимости. В результате поглощения света образуются электронно-дырочные пары. В таких полупроводниках, как германий и кремний, энергетический максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости смещены относительно друг друга в пространстве волновых векторов и наблюдаются  
непрямые межзонные переходы. 
В металлах лазерное излучение поглощается благодаря большой плотности электронов проводимости по механизму, сходному с поглощением свободных носителей в полупроводниках. Возбужденные электроны сталкиваются 
с атомами решетки. Время релаксации составляет порядка 10–12 с. Энергия 
излучения быстро превращается в кинетическую энергию движения атомов. 
Степень отражения бомбардирующих поверхность частиц весьма чувствительна к ее состоянию. Примеси и окисные слои могут изменять отражательную способность поверхности и оказывать заметное влияние на величину  
поглощенной энергии. Изменение отражательной способности поверхности 
на 1 % может изменить количество поглощенной энергии на 10 %.

нагрев и охлаждение многослойных систем. При обработке градиентных, в том числе многослойных, материалов отражательная способность внеш- 
него слоя определяет величину поглощенной энергии, а коэффициенты температуропроводности материалов – глубину проникновения теплоты и плавления материалов. Затвердевание и скорость движения границы твердое тело –  
расплав определяются высвобождением скрытой теплоты. Управление плавлением и затвердеванием может быть достигнуто выбором материалов, у которых 
температура плавления различается не слишком сильно. По возможности следует избегать материалов с высокой упругостью пара, что позволяет уменьшить 
поверхностное испарение. Использование лазеров с модулированной добротностью и длительностью импульса 10–100 нс обеспечивает изменение состава 
на глубине, не превышающей 1 мкм. Для увеличения глубины воздействия 
необходимо большее время облучения. Длина волны излучения должна выбираться таким образом, чтобы уменьшить отражательную способность и увеличить поглощенную энергию.

напряженно-деформированное состояние поверхностных слоев материалов при лазерном облучении. Высокие температурные градиенты в облучаемых металлах и сплавах приводят к появлению значительных деформаций в приповерхностной области при параметрах облучения, лежащих ниже 
порога плавления. Возрастание температуры поверхности приводит к расширению материала. В направлении нормали к поверхности напряжения могут 
релаксировать путем небольших смещений атомов поверхностного слоя. Такие смещения происходят в основном в направлении перпендикулярном плоскости поверхности. Смещения в направлениях, параллельных поверхности, 

тормозятся окружающим материалом. При нагреве вдоль этих направлений 
развиваются высокие напряжения сжатия. Если они превышают предел упругости материала, протекает непрерывная пластическая деформация. Деформация приводит к выдавливанию материала из плоскости свободной поверхности. Максимальные сдвиговые напряжения развиваются вдоль плоскостей, 
наклоненных на 45° к свободной поверхности, и приводят к образованию линий скольжения. Во время охлаждения до начальной температуры материал 
сжимается. Если пластическая деформация сжатия велика, растягивающие 
напряжения превышают предел прочности материала, что приводит к появлению пластического течения.
Когда металл подвергается деформациям, превышающим значения, соответствующие пределу текучести, деформация развивается вдоль близко расположенных плоскостей скольжения. Этот эффект наблюдался в монокристаллах алюминия после лазерного облучения с плотностями энергии ниже 
порога плавления поверхности [1]. Быстрое распространение напряжений 
внутри образца сопровождается развитием протяженных дефектов и обусловливает низкую степень кристалличности, полученную после лазерного облучения ионно-имплантированных металлов.
Облучение материалов электронным пучком. Электронные пучки широко используются для обработки металлов и сплавов, в частности, для образования метастабильных металлических сплавов.
Во время торможения электроны взаимодействуют с ядрами и электронами мишени. Столкновения с ядрами из-за большого различия в массах имеют 
главным образом упругий характер. Энергия передается в результате столкновений с электронами материала мишени. В условиях быстрого нагрева 
при электронном облучении процесс является квазиадиабатическим. Влияние  
теплопроводности пренебрежимо мало, и профиль распределения температуры повторяет профиль потерь энергии электронов в образце. Характер рассеяния энергии в глубинных слоях материала определяет изменение температуры на стадии нагрева.
Расчеты по методу Монте-Карло показывают, что максимум распределения поглощенной энергии располагается на глубине, возрастающей с ростом 
энергии электронов. В случае лазерного облучения максимум профиля поглощенной энергии при обработке гомогенной среды находится на поверхности.
Основные различия с лазерным облучением состоят в глубине, на которой 
достигается максимальная температура, и толщине расплавленного слоя. При 
облучении электронным пучком толщина расплавленного слоя составляет, 
как минимум, несколько микрометров. Из этого факта вытекают некоторые 
следствия для скорости движения границы твердая фаза – расплав на стадии 
охлаждения, в то время как стадия нагрева совершенно отлична. Энергия 
вводится на глубину, большую, чем для лазерного пучка, и слой толщиной, 
равной примерно половине длины пробега электронов, расплавляется почти 
немедленно. Температура расплава ниже, чем достигаемая при лазерном облучении, а температурные градиенты меньше. 

Облучение материалов ионными пучками. Пучок положительно заряженных ионов также можно использовать для ввода энергии в поверхностный 
слой мишени и, при подходящих параметрах пучка, расплавить поверхностный слой [2]. Ионы теряют свою энергию при взаимодействии с электронными оболочками и ядрами атомов мишени. Относительный вклад упомянутых 
механизмов зависит от энергии ионов и соотношения масс иона и атомов, образующих мишень. В случае бомбардировки протонами вклады от ядерных 
и электронных потерь уравновешиваются при энергии протона около 10 кэВ. 
При имплантации мышьяка в кремний они одинаковы при 750 кэВ.
В металлах лазерное излучение поглощается в тонком поверхностном 
слое, и высокие температурные градиенты сохраняются в процессе нагрева 
продолжительное время. Связь высоких температурных и концентрационных 
градиентов в процессе нагрева приводит к появлению смешанной компоненты  
в уравнении диффузии примесей (эффект Соре). Лазерное облучение в комбинации с ионной имплантацией дает уникальную возможность изучения этого 
явления.
Механизмы введения в поверхностный слой энергии при ионно-лучевой 
обработке хорошо известны и зависят главным образом от атомного номера 
и массы вещества мишени. Основным отличием от лазерного облучения является 
большая глубина, на которую вводится энергия, более низкие значения температурного градиента и скоростей перемещения межфазных границ.

Литература

1. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах /  
А. Н. Диденко [и др.]. – Томск: Изд-во НТЛ, 2004. – С. 328.
2. Andersen, H. H. Hydrogen Stopping and Ranges in all Elements / H. H. Andersen, J. F. Ziegler. –  
N. Y. Pergamon Press, 1977. – Р. 385.

Глава 2

мЕтОДы ИССЛЕДОВанИя ПОВЕРхнОСтЕй  
тВЕРДых тЕЛ

Структурное состояние, фазовый и химический состав поверхностных слоев 
материалов в значительной степени определяют их физико-механические и эксплуатационные характеристики. Особую значимость сведения о строении по- 
верхностных слоев материалов приобретают в связи с интенсивным разви- 
тием методов инженерии поверхностей. Основная проблема экспериментального исследования структуры поверхностей заключается в выделении сигнала от атомов, образующих поверхность на фоне сигнала от глубинных слоев.  
В этом смысле наиболее эффективно применение для исследования поверхностей слабо проникающих в вещество частиц или потоков энергии. Большинство современных методов изучения поверхности основано на исследовании 
взаимодействия электромагнитных волн различного вида (инфракрасных, 
ультрафиолетовых, рентгеновских, электрических и магнитных полей, а также потоков электронов, ионов, нейтральных атомов и молекул) с веществом. 
При этом анализируются поглощение, рассеяние первичного излучения и испускание вторичного излучения. В настоящее время известно несколько десятков методов изучения поверхности [1]. Выбор метода исследования поверхности определяется поставленными задачами. Наибольшее распространение 
наряду со стандартными металлографическими методами получили рентгеноструктурный анализ (РСА), дифракция медленных электронов (ДМЭ), электронная Оже-спектроскопия (ОЭС), метод обратного резерфордовского рассеяния (ОРР), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), ядерная гамма-резонансная спектроскопия (ЯГР), атомно-силовая микроскопия 
(АСМ). Рассмотрим несколько подробнее некоторые методы исследования поверхностей, использующиеся при анализе структурного состояния и фазового 
состава азотированных материалов. 

2.1. Рентгеноструктурный анализ поверхности

РСА является наиболее известным и распространенным методом исследования структуры поверхностей, теоретические и прикладные вопросы которого достаточно хорошо разработаны [2–5]. В настоящее время применяются 
различные методики проведения рентгеноструктурных исследований. К наиболее распространенным следует отнести метод Лауэ, Дебая–Шеррера, Зеемана– 
Болина [6]. На рис. 2.1 представлена схема фокусировки по Брэггу–Брентано,