“IN SITU МЕТОДЫ СИНХРОТРОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОСЛОЙНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР С УНИКАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ И СВОЙСТВАМИ, СОЗДАННЫХ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОЙ ИНЖЕНЕРИЕЙ ПОВЕРХНОСТИ”

Объектами научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, выполненных в рамках реализации мероприятий четвертого этапа проекта по теме ”In situ методы синхротронных исследований многослойных функциональных структур с уникальными параметрами и свойствами, созданных пучково-плазменной инженерией поверхности”, являются закономерности влияния условий синтеза покрытий (нитриды, оксиды, бориды, пленки ВЭС, кальциевые покрытия и др.) и слоев на поверхности конструкционных и функциональных материалов, синтезируемых или модифицируемых такими методами пучково-плазменной инженерии, как вакуумно-дуговое плазменно-ассистированное напыление, магнетронное распыление, электронно-пучковое испарение и облучение, лазерное облучение; узлы и устройства вакуумного электронно-ионно-плазменного стенда (ВЭИПС), методики синхротронных исследований свойств материалов в условиях воздействия водородосодержащей среды, повышенных температур, криогенных температур и термоциклирования, технологии получения и контроля качества изделий. Фундаментальные и крупные прикладные задачи по научным направлениям реализации Федеральной программы, которые решались в рамках четвертого этапа проекта, включают: – определение in situ методами с использованием синхротронного излучения механизмов формирования структурно-фазового состояния уникальных многослойных структур, синтезируемых при выполнении настоящего проекта, на поверхности конструкционных и функциональных материалов, создаваемых интенсивными потоками ионов, электронов и плазмы при существенно неравновесных условиях для решения важнейших задач инженерии поверхности материалов и изделий; – разработку способов, методик и оборудования с высоким пространственным и временным разрешением для мониторинга с использованием синхротронного излучения в режиме реального времени управляемых процессов формирования многослойных структур на поверхности, их элементного и фазового состава, выявление взаимосвязи плазменных и пучковых процессов при создании таких структур с их свойствами и характеристиками, а также in situ корректировка режимов и процессов для получения заранее заданных свойств синтезируемых структур. – исследования, разработку способов, методик и оборудования (специализированных стендов) с высоким пространственным и временным разрешением для мониторинга с использованием синхротронного излучения в режиме реального времени (in situ) процессов изменения свойств, деградации и разрушения поверхности конструкционных и функциональных материалов в условиях приближенных к экстремальным, включая воздействие высоких и криогенных температур, термоциклирования, воздействия коррозионных газовых смесей и других разрушающих поверхность факторов. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, включая исследования с использованием синхротронного излучения, а также методы компьютерного моделирования. В рамках выполнения мероприятий по этапу 4 проекта по проведению синхротронных и нейтронных исследований (разработок), необходимых для решения принципиально новых фундаментальных и крупных прикладных задач были выполнены в полном объеме 49 мероприятий и решены все поставленные задачи. По направлениям исследований проекта отправлены в печать и опубликованы 20 статей, индексируемых в системе Web of Science. В ходе выполнения этапа 4 проекта с использованием синхротронного излучения источников СИ ВЭПП-3 и ВЭПП-4М (ИЯФ СО РАН), проведено 8 исследований закономерностей влияния условий формирования и модифицирования на фазовый состав, микроструктуру слоев, включая многослойные (многофазные) и многоэлементных структуры, среди которых нитридные, оксидные, боридные покрытия, включая многоэлементные системы, пленки высокоэнстропийных сплавов (ВЭС), кальциевых покрытий, синтезируемых на поверхности конструкционных и функциональных материалов, сплава TiNi, поверхностных сплавов на Zr на основе соединений Ti, Mo и Y. Ключевые исследования проводились с использованием созданного в рамках проекта вакуумного-электронно-ионно-плазменного стенда ВЭИПС, установленного на канале №6 источника СИ ВЭПП-3. В рамках исследований реализованы новые методики in situ исследований, объединяющие возможности комплекса из пяти методов пучково-плазменной инженерии поверхности, реализуемых на стенде ВЭИПС и методов на основе синхротронного излучения. Впервые для целого ряда структур, формируемых на поверхности материалов различными методами пучково-плазменной инженерии, непосредственно в процессе синтеза получены картины изменения фазового состава с течением времени, включая момент зарождения первых фаз, а также продемонстрирована возможность мониторинга изменения фазового состава формируемых структур при изменении рабочих условий синтеза. В процессе исследований использовались также традиционные in situ методики исследований покрытий, синтезированных исполнителями настоящего проекта на модернизированных электронно-ионно-плазменных установках, на жаростойкость и термостабильность с использованием синхротронного излучения. Методом рентгенофазового анализа (РФА) с высоким инструментальным разрешением с использованием синхротронного излучения определены структурно-фазовые характеристики, а также жаростойкость и термостойкость методом РФА в режиме реального времени в процессе высокотемпературного (до 1500 ºС) нагрева структур, синтезированных в рамках выполнения мероприятий проекта. Выполненные исследования различных групп синтезированных материалов с использованием синхротронного излучения позволили выявить важнейшие особенности влияния различных факторов на процесс фазообразования и их свойства, определили направления дальнейших исследований. В рамках выполнения мероприятий по созданию сетевой синхротронной и нейтронной научно-исследовательской инфраструктуры на территории Российской Федерации были выполнены в полном объеме 16 мероприятий и выполнено дооснащение стендов ВЭИПС, запущены лабораторные стенды, включая вакуумный экспериментальный стенд криогенных температур и термоциклирования, и водородный экспериментальный стенд анализа фазового состояния и структуры, на станциях источника СИ ВЭПП-3. Апробирована методика анализа особенностей изменения структуры и фазового состава металлогидридных материалов при термическом и водородном воздействии. Кроме того модернизирована инфраструктура центров компетенций в Томске, Уфе и Екатеринбурге, которые являются частью сетевой синхротронной и нейтронной научно-исследовательской инфраструктуры на территории РФ. Центры осуществляют научно-методическую, научную деятельность и реализуют мероприятия по популяризации исследований и разработок в области синхротронных и нейтронных исследований, а также организационно-методическое сопровождение работ в области пучково-плазменной инженерии поверхности выполняемых исследовательскими командами, а также научно-техническую деятельность по исследованиям и разработкам специализированного оборудования для пользовательских станций источников СИ. Разработаны методики синхротронных исследований свойств материалов в условиях воздействия повышенных температур и термоциклирования и в условиях воздействия криогенных температур и термоциклирования. Проведено патентное исследование для определения патентной чистоты и технического уровня разрабатываемого объекта техники и подана 1 заявка на патент на изобретение. В рамках выполнения работ по направлению подготовки специалистов в области разработки, проектирования и строительства источников синхротронного и нейтронного излучения, а также научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок), были выполнены в полном объеме 10 мероприятий, в том числе проведена школа синхротронного излучения для студентов и молодых ученых (г. Томск); проведена секция «Synchrotron and neutron research in materials science» на 17-й конференции International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (16-21 сентября 2024 г.) в рамках 9-го конгресса International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2022); проведено обучение по дополнительным профессиональным образовательным программам 67 студентов, молодых ученых и специалистов. Работы в рамках выполнения всех мероприятий четвертого этапа проекта выполнены в полном объеме и в соответствии с требованиями плана-графика работ. Все значения результатов предоставления гранта достигнуты в полном объеме.