Разработка физических основ электронно-ионно-плазменного метода формирования борсодержащих слоев и покрытий

Одним из перспективных направлений в области создания новых функциональных материалов с уникальными свойствами, которое успешно развивается и находит применение в различных областях промышленности, является разработка и формирование градиентных многофазных, нано- и субмикрокристаллических поверхностных слоев и покрытий, создаваемых методами, основанными на применении концентрированных потоков энергии, в том числе комбинированными электронно-ионно-плазменными методами. Целью проекта является получение фундаментальных знаний и разработка научных основ метода создания градиентных, нано- субмикрокристаллических, многофазных слоев и покрытий, формирующихся при контролируемой электронно-ионно-плазменной обработке, сочетающей в определенной последовательности облучение интенсивным импульсным электронным пучком, нанесение твердых и сверхтвердых нанокристаллических боридных покрытий, формирование протяженных борсодержащих слоев для кратного увеличения механических и трибологических характеристик высокоэнтропийных сплавов. В качестве объекта модифицирования будет использован высокоэнтропийный сплав элементного состава CrMnFeCoNi, полученный с помощью технологии холодного переноса металла. Актуальность и своевременность проекта заключается в необходимости решения существующей проблемы прогнозирования изменения фазового состава и механических свойств высокоэнтропийных сплавов при их поверхностной обработке. В настоящее время, несмотря на стремительно возрастающее количество работ по теме производства высокоэнтропийных сплавов и изучения их свойств, не установлены единые критерии, определяющие формирование той или иной структуры в данных материалах. Практически нет сведений о влиянии высокоскоростной термической обработки, инициируемой облучением импульсным электронным пучком, а также субмикро- нанокристаллической градиентной борсодержащей структуры, на их поверхностные и объемные свойства. Суть разрабатываемого метода, определяющего научную новизну и практическую значимость проекта, заключается в формировании градиентных нанофазных поверхностных слоев (10-100 мкм) и твердых износостойких покрытий (до 5 мкм), сочетающих: 1) упрочненный подслой, сформированный путем электронно-плазменного насыщения поверхности материала бором; 2) твердые и сверхтвердые (≥40 ГПа) субмикро- и нанокристаллические (размер кристаллитов 5-20 нм) покрытия на основе боридов тугоплавких металлов, синтезированные ионно-плазменными методами. Проект является междисциплинарным (физика низкотемпературной плазмы, физика пучков заряженных частиц, физика твердого тела и физическое материаловедение) и призван решить следующие взаимосвязанные фундаментальные проблемы в области инженерных наук: (1) изучение закономерностей и условий стабильной генерации многокомпонентной плазмы в зависимости от давления и состава газовой среды; (2) изучение физических процессов комплексного воздействия на поверхность твёрдых тел плазменных, ионных и электронных потоков; (3) анализ физической природы, выявление механизмов повышения механических и трибологических свойств модифицированной поверхности твердого тела после комплексного электронно-ионно-плазменного воздействия. Для достижения цели проекта будут реализованы два варианта комплексного модифицирования поверхности высокоэнтропийного сплава: (1) формирование борсодержащих субмикро- нанокристаллических градиентных слоев, полученных путем облучения системы «пленка/подложка» импульсным электронным пучком; (2) формирование на поверхности образцов исходного или модифицированного (соответственно варианту (1)) высокоэнтропийного сплава покрытий на основе боридов тугоплавких металлов. Научная новизна проекта заключается в том, что для решения поставленных задач будут использованы новые научные и методологические подходы формирования многофазных градиентных поверхностных слоев и покрытий. А именно, комбинированное электронно-ионно-плазменное модифицирование поверхностного слоя материала будет осуществлено на уникальном электрофизическом оборудовании, созданном в Институте сильноточной электроники СО РАН (УНУ «УНИКУУМ» (ckp-rf.ru/usu/434216/) входит в перечень объектов Современной исследовательской инфраструктуры Российской Федерации). Другим оригинальным подходом, обеспечивающим научную новизну проекта, является борирование материала в плазме несамостоятельного дугового разряда при низком давлении (до 1 Па), которое позволяет значительно ускорить процесс насыщения бором по сравнению с традиционными методами борирования за счет эффективной ионной бомбардировки поверхности и ее очистки от оксидов (высокая энергия ионов), а также повышенных значений ионного тока на образцы. Каждый этап модифицирования поверхности материалов будет сопровождаться изучением и совершенствованием методов синтеза низкотемпературной плазмы в значительных (более 0,1 м^3) вакуумных объемах, исследованием элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры с выявлением и анализом количественных параметров структуры материала, что позволит провести оценку механизмов упрочнения и исследовать физическую природу повышения прочностных и трибологических характеристик модифицированного слоя сплава. Результаты всего комплекса экспериментальных исследований позволят сформировать банк данных, который будет являться научным фундаментом практического решения ключевой проблемы получения многофункциональных слоев и твердых покрытий с многофазной, градиентной субмикро- нанокристаллической структурой комбинированным электронно-ионно-плазменным методом для широкого спектра применений.