vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2023-2(44)-28-39vsgiu-147Research ArticleРаздел 2. Металлургия и материаловедениеSection 2. Metallurgy and Materials ScienceМОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОКСИДНОЙ КЕРАМИКИ ИОННОЙ ОБРАБОТКОЙMODIFICATION OF THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF OXIDE CERAMICS BY ION TREATMENThttps://orcid.org/0000-0002-2524-9238ГынгазовСергей АнатольевичGhyngazovSergei

д.т.н., ведущий научный сотрудник проблемной научной исследовательской лаборатории электроники  диэлектриков и полупроводников

Dr. Sci. (Tech.), Leading Re-searcher of the Problematic Research Laboratory of Electronics,

ghyngazov@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8128-9042БолтуеваВалерия АлександровнаBoltuevaValeriia

к.т.н., младший научный сотрудник проблемной научной исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников

Ph.D., Junior Researcher at the Problem Research Laboratory of Electronics, Dielectrics and Semiconductors

kostenkova@tpu.ruНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияDielectrics and Semiconductors, National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Poly-technic University.Russian Federation202330062023022839Copyright © Гынгазов С.А., Болтуева В.А., 20252025Гынгазов С.А., Болтуева В.А.Ghyngazov S., Boltueva V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/147

Представлены результаты исследования влияния ионной (аргон, углерод, азот, ксенон) обработки при различных параметрах пучка (энергии ионов, плотностях тока и энергии, флюенсах, режимов облучения) на физико-механические свойства (структура, фазовый состав, микротвердость) керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония и оксида алюминия. Установлены закономерности структурных и фазовых превращений, эффектов поверхностной модификации циркониевой и алюмооксидной керамики при воздействии ускоренными ионами. Рентгенофазовый анализ показал, что ионная (аргон, азот, ксенон) обработка независимо от режима (непрерывный, импульсный) в поверхностном слое керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония приводит к фазовой перестройке на глубине порядка 15 мкм. Согласно данным сканирующей электронной микроскопии непрерывные ионные пучки (аргон, ксенон) не приводят к морфологическим изменениям поверхностного слоя оксидной керамики. Воздействие импульсных ионных (углерод, азот) пучков приводит к кратковременным процессам плавления и затвердевания, в результате чего в поверхностном слое оксидной керамики формируется структура, отличающаяся от структуры в объеме керамики. Независимо от режима и параметров пучка ионная обработка приводит к увеличению микротвердости поверхности керамики из частично стабилизированного диоксида циркония и оксида алюминия.

The results of the study of the effect of ion (argon, carbon, nitrogen, xenon) treatment at various beam parameters (ion energy, current density, energy density, fluence, irradiation modes) on the physical and mechanical properties (structure, phase composition, microhardness) of ceramics based on partially stabilized zirconia and alumina are presented. The regularities of structural and phase transformations, the effects of surface modification of zirconia and alumina ceramics when exposed to accelerated ions are established. X-ray phase analysis showed that ion (argon, nitrogen, xenon) treatment, regardless of the mode (continuous, pulsed) in the surface layer of ceramics based on partially stabilized zirconia, leads to phase rearrangement at a depth of about 15 μm. According to scanning electron microscopy continuous ion beams (argon, xenon) do not lead to morphological changes in the surface layer of oxide ceramics. The impact of pulsed ion (carbon, nitrogen) beams leads to short-term melting and solidification processes, as a result of which a structure is formed in the surface layer of oxide ceramics which differs from the structure in the volume of ceramics. Regardless of the beam mode and parameters, ion treatment leads to an increase in the microhardness of the ceramic surface from of partially stabilized zirconia and alumina.

ионная обработкачастично стабилизированный диоксид цирконияоксид алюминиярентгеновская дифракциямикротвердостьэлектронная и просвечивающая микроскопияion treatmentpartially stabilized zirconiaaluminax-ray diffractionmicrohardnesselectron and transmission microscopyРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (проект FSWW-2023-0011).the work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state task in the field of scientific activity (рroject FSWW-2023-0011).ReferencesЗацепин Д.А., Чолах С.О., Вайнштейн И.А. Ионная модификация функциональных материалов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УРФУ. 2014. 106 с.Zatsepin D.A., Cholah S.O., Weinstein I.A. Ion modification of functional materials. Yekaterinburg: GOU VPO URFU, 2014, 106. (In Russ.).Рябчиков А.И. Ускорители заряженных частиц и другие излучательные установки НИИЯФ и их использование в науке и технологиях // Известия Томского политехнического университета. 2000. Т. 303. № 1. С. 17–43.Ryabchikov A.I. Charged particle accel-erators and other NINIP radiation installations and their use in science and technology. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2000, vol. 303, no. 1, pp. 17–43. (In Russ.).Ivanov Y., Gromov V., Konovalov S., Efimov M., Shliarova Y., Panchenko I. Effect of electron-beam treatment on the structure and properties of (B + Cr) film deposited on a high-entropy alloy AlCrFeCoNi // Materials Letters. 2023. Vol. 335. Article 133704. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.133704Ivanov Y., Gromov V., Konovalov S., Efimov M., Shliarova Y., Panchenko I. Effect of electron-beam treatment on the structure and properties of (B  +  Cr) film deposited on a high-entropy alloy AlCrFeCoNi. Materials Letters. 2023, vol. 335, pp. 133704. https://doi.org/ 10.1016/j.matlet.2022.133704Wang M., Konovalov S., Dai F., Chen X. Influence of process parameters on laser shock processing effect of aero-engine blades // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022. No. 16. P. 1208–1220. https://doi.org/10.1134/S102 745102206043XWang M., Konovalov S., Dai F., Chen X. Influence of process parameters on laser shock processing effect of aero-engine blades. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022, no. 16, pp. 1208–1220. https://doi.org/10.1134/S102 745102206043XWas G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science: metals and alloys. Springer. 2016. Article 1002. https://doi.org/10.1007/978-3-540-49472-0Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science: metals and alloys. Springer, 2016, article 1002. https://doi.org/10.1007/978-3-540-49472-0Dey S., Drazin J., Wang Y., Valdez J.A., Holesinger T.G., Uberuaga B.P., Castro R.H.R. Radiation Tolerance of Nanocrystalline Ceramics: Insights from Yttria Stabilized Zirconia // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. P. 7746. https://doi.org/10.1038/srep07746Dey S., Drazin J., Wang Y., Valdez J.A., Holesinger T.G., Uberuaga B.P., Castro R.H.R. Radiation Tolerance of Nanocrystalline Ceramics: Insights from Yttria Stabilized Zirconia. Scientific Reports. 2015, vol. 5, pp. 7746. https://doi.org/10.1038/srep07746Balogh A.G. Irradiation induced defect for-mation and phase transition in nanostructured ZrO2 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 2012. Vol. 282. P. 48–58. https://doi.org/10.1016/j.nimb. 2011.08.063Balogh A.G. Irradiation induced defect for-mation and phase transition in nanostructured ZrO2. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 2012, vol. 282, pp. 48–58. https://doi.org/10.1016/ j.nimb.2011.08.063Sickafus K.E., Wetteland C.J., Baker N.P., Yu N., Devanathan R., Nastasi M., Bordes N. A comparison between the irradiation damage response of spinel and zirconia due to Xe ion bombardment // Mater. Sci. Eng. A. 1998. Vol. 253. P. 78–85. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00712-6Sickafus K.E., Wetteland C.J., Baker N.P., Yu N., Devanathan R., Nastasi M., Bordes N. A comparison between the irradiation damage response of spinel and zirconia due to Xe ion bombardment. Mater. Sci. Eng. A. 1998, vol. 253, pp. 78–85. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00712-6Haowen Zhong, Jie Zhang, Jie Shen, Guoying Lianga, Shijian Zhang, Mofei Xu, Xiao Yu, Sha Yan, Remnev G.E., Xiaoyun Le. Dynamic mechanism of crater formation induced by inclusion during intense pulsed ion beam irradiation // Vacuum. 2020. Vol. 179. P.109541. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109541Haowen Zhong, Jie Zhang, Jie Shen, Guoying Lianga, Shijian Zhang, Mofei Xu, Xiao Yu, Sha Yan, Remnev G.E., Xiaoyun Le. Dynamic mechanism of crater formation induced by inclusion during intense pulsed ion beam irradiation. Vacuum. 2020, vol. 179, pp. 109541. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109541Гынгазов С.А., Васильев И.П., Суржиков А.П., Франгулян Т.С., Чернявский А.В. Ионная обработка циркониевой керамики мощными импульсными пучками // Журнал Технической Физики. 2015. Т. 85. № 1. С. 132–137.Gyngazov S.A., Vasiliev I.P., Surzhikov A.P., Frangulyan T.S., Chernyavsky A.V. Ion treatment of zirconium ceramics with powerful pulse beams. Zhurnal Tekhnicheskoj Fiziki. 2015, vol. 85, no. 1, pp. 132–137. (In Russ.).Benyagoub A. Phase transformations in oxides induced by swift heavy ions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. Beam Interactions with Materials and Atoms. 2006. Vol. 245. No. 1. P. 225–230.Benyagoub A. Phase transformations in oxides induced by swift heavy ions. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. Beam Interactions with Materials and Atoms. 2006, vol. 245, no. 1, pp. 225–230.O'Connell J.H., Lee M.E., Skuratov V.A., Rymzhanov R.A. SHI induced tetragonal tracks in natural zirconia // Nuclear Instru-ments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2020. Vol. 473. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2020.04.002O'Connell J.H., Lee M.E., Skuratov V.A., Rymzhanov R.A. SHI induced tetragonal tracks in natural zirconia. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2020, vol. 473, pp. 1–5. https://doi.org/ 10.1016/j.nimb.2020.04.002Gаvrilоv N.V., Mеsyаts G.А., Nikulin S.Р., Rаdkоvskii G.V., Еklind А., Реrry А.J., Trеgliо J.R. Nеw brоаd bеаm gаs iоn sоurсе fоr industriаl аррliсаtiоn // Journal of Vacuum Science & Technology A 14. 1996. Vol. 14. P. 1050–1055. https://doi.org/10.1116/1.580132Gаvrilоv N.V., Mеsyаts G.А., Nikulin S.Р., Rаdkоvskii G.V., Еklind А., Реrry А.J., Trеgliо J.R. Nеw brоаd bеаm gаs iоn sоurсе fоr industriаl аррliсаtiоn. Journal of Vacuum Science & Technology A 14. 1996, vol. 14, pp. 1050–1055. https://doi.org/10.1116/1.580132Remnev G.E., Isakov I.F., Opekounov M.S., Matvienko V.M., Ryzhkov V.A., Struts V.K., Grushin I.I., Zakoutayev A.N., Potyomkin A.V., Tarbokov V.A., Pushkaryov A.N., Kutuzov V.L., Ovsyannikov M.Yu. High intensity pulsed ion beam sources and their industrial applications // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 114. P. 206–212. https: //doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00058-4Remnev G.E., Isakov I.F., Opekounov M.S., Matvienko V.M., Ryzhkov V.A., Struts V.K., Grushin I.I., Zakoutayev A.N., Potyomkin A.V., Tarbokov V.A., Pushkaryov A.N., Kutuzov V.L., Ovsyannikov M.Yu. High intensity pulsed ion beam sources and their industrial applications. Surface and Coatings Technology. 1999, vol. 114, pp. 206–212. https://doi.org/ 10.1016/S0257-8972(99)00058-4Zhu X.P., Lei M.K., Ma T.C. Character-ization of a high-intensity bipolar-mode pulsed ion source for surface modification of materials // Rev. Sci. Instrum. 2002. Vol. 73. P. 1728–1733. https://doi.org/10.1063/1.1455137Zhu X.P., Lei M.K., Ma T.C. Character-ization of a high-intensity bipolar-mode pulsed ion source for surface modification of materials. Rev. Sci. Instrum. 2002, vol. 73, pp. 1728–1733. https://doi.org/10.1063/1.1455137ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 Национальный стандарт Российской Федерации. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Москва: Стандартинформ. 2008, 20 с.GOST R ISO 6507-1–2007 National Standard of the Russian Federation. Metals and alloys. Vickers hardness measurement. Moscow: Standardinform. 2008, 20. (In Russ.).Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В., Рябчиков А.И. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах. Томск: НТЛ. 2004. 328 с.Didenko A.N., Sharkeev Yu.P., Kozlov E.V., Ryabchikov A.I. Long-range effects in ion-implanted metal materials. Tomsk: NTL, 2004, 328 p. (In Russ.).Ovchinnikov V.V. Nanoscale dynamic and long-range effects under cascade-forming irradiation // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 355. P. 65–83. https://doi.org/ 10.1016/j.surfcoat.2018.03.084Ovchinnikov V.V. Nanoscale dynamic and long-range effects under cascade-forming irradiation. Surface and Coatings Technology. 2018, vol. 355, pp. 65–83. https://doi.org/ 10.1016/j.surfcoat.2018.03.084O’Connell J.H., Rymzhanov R.A., Skuratov V.A., Volkov A.E., Kirilkin N.S. Latent tracks and associated strain in Al2O3 irradiated with swift heavy ions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam. 2016. Vol. 374. P. 97–101. https://doi.org/ 10.1016/j.nimb.2015.09.067O’Connell J.H., Rymzhanov R.A., Skuratov V.A., Volkov A.E., Kirilkin N.S. Latent tracks and associated strain in Al2O3 irradiated with swift heavy ions. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam. 2016, vol. 374, pp. 97–101. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.09.067Huber N., Heerens J. On the effect of a general residual stress state on indentation and hardness testing // Acta Mater. 2008. Vol. 56. No. 20. P. 6205–6213. https://doi.org/ 10.1016/j.actamat.2008.08.029Huber N., Heerens J. On the effect of a general residual stress state on indentation and hardness testing. Acta Mater. 2008, vol. 56, no. 20, pp. 6205–6213. https://doi.org/10.1016/j. ac-tamat.2008.08.029Wang L., Bei H., Gao Y.F., Lu Z.P., Nieh T.G. Effect of residual stresses on the hardness of bulk metallic glasses // Acta Mater. 2011. Vol. 59. No. 7. P. 2858–2864. https://doi.org/ 10.1016/j.actamat.2011.01.025Wang L., Bei H., Gao Y.F., Lu Z.P., Nieh T.G. Effect of residual stresses on the hardness of bulk metallic glasses. Acta Mater, 2011, vol. 59, no. 7, pp. 2858–2864. https://doi.org/ 10.1016/j.actamat.2011.01.025Song N., Wang Z. Yan Xing, Mengfei Zhang, Peng Wu, Feng Qian, Jing Feng, Longhao Qi, Chunlei Wan, Wei Pan. Evaluation of phase transformation and mechanical properties of metastable yttria-stabilized zirconia by nanoindentation // Materials. 2019. Vol. 12. No. 10. P. 1677. https://doi.org/10.3390/ ma12101677Song N., Wang Z. Yan Xing, Mengfei Zhang, Peng Wu, Feng Qian, Jing Feng, Longhao Qi, Chunlei Wan, Wei Pan. Evaluation of phase transformation and mechanical properties of metastable yttria-stabilized zirconia by nanoindentation. Materials, 2019, vol. 12, no. 10, pp. 1677. https://doi.org/10.3390/ma 12101677Wang K., Zhao M., Ren X., Pan W. High temperature mechanical properties of zirconia metastable t’-Phase degraded yttria stabilized zirconia // Ceramics International. 2019. Vol. 45. P. 17376–17381. https://doi.org/ 10.1016/j.ceramint.2019.05.297Wang K., Zhao M., Ren X., Pan W. High temperature mechanical properties of zirconia metastable t’-Phase degraded yttria stabilized zirconia. Ceramics International. 2019, vol. 45, pp. 17376–17381. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019. 05.297

The authors declare that there are no conflicts of interest present.