Prospects for producing nanostructures in the volume of parts under the action of plasma flows

Abstract

The paper presents the results of calculations of temperature fields and temperature stresses based on the solution of the unsteady joint problem of thermal conductivity and thermoelasticity. Zones of the material of the part were found where the conditions for the formation of nanostructures in the temperature range, rate of temperature increase, and maximum temperature stresses are realized. It is shown that under the action of nitrogen ions on steel, a significant region with nanostructures is obtained, while under the action of titanium ions on an aluminum alloy, this zone is limited. Under the action of electrons, nanostructures are not formed, temperature stresses in both cases have values of the order of 108 N/m2, they also do not make it possible to obtain nanostructures directly, while they can accelerate their production over the temperature range and their growth rate.

В роботі представлені результати розрахунків полів температур і температурних напружень на основі рішення нестаціонарної спільної задачі теплопровідності і термопружності. Знаходилися зони матеріалу деталі, де реалізуються умови утворення наноструктур. Розглядаємо три випадки теплової дії плазми на деталь. Дія частинок плазмового потоку: – як індивідуальних теплових джерел, тобто випадок відсутності накладення температурних полів від сусідніх іонів та електронів (j  j’кр); – спільну теплову дію ряду частинок при накладенні їх температурних полів (j  j’ j’’кр); – дія плазмового потоку як суцільного середовища (j  j’’кр). Найбільш цікавий випадок при дії електронів та іонів середніх енергій в плазмовому потоці за умови, що j  j’кр. Якщо густина струму лежить між першою і другою критичною, тобто коли спостерігається накладення температурних полів від дії сусідніх частинок, завдання ускладнюється, тому воно і розглядалось. Показано, що при дії іонів азоту на сталь реалізується значна область з наноструктурами, тоді як при дії іонів титану на алюмінієвий сплав ця зона обмежена. При дії електронів наноструктури не утворюються, температурні напруження в обох випадках мають значення порядку 108 Н/м2, вони теж не дають можливості отримувати наноструктури безпосередньо, тоді як можуть прискорити їх отримання. Показано, що досягаються необхідні температури і швидкості наростання температур, величини температурних напружень (тисків) достатні для отримання наноструктур в об’ємі деталі, в той же час для підвищення ефективності цього процесу можна подавати в плазмовому потоці невелику частку іонів каталізатора. Показано, що при впливі іонів азоту на сталь реалізується значна область з наноструктурами, а при впливі іонів титану на алюмінієвий сплав ця зона обмежена. Під дією електронів наноструктури не утворюються, температурні напруження в обох випадках мають значення порядку 108 Н / м2, вони також не дозволяють отримувати наноструктури безпосередньо, хоча можуть прискорити їх утворення в температурному інтервалі і темп їх зростання.