Том 24 № 4 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 219 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований) Олег Кутькин 1, a, *, Иван Батаев 1, b, Глеб Довженко 2, c, Зинаида Батаева 3, d 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 ЦКП «СКИФ», Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Никольский пр., 1, Кольцово, 630559, Россия 3 Сибирский государственный университет водного транспорта, ул. Щетинкина, 33, г. Новосибирск, 630099, Россия a https://orcid.org/0000-0003-1277-388X, kutkino@list.ru, b https://orcid.org/0000-0003-2871-0269, i.bataev@corp.nstu.ru, c https://orcid.org/0000-0003-0615-0643, g.dovjenko@skif.ru d https://orcid.org/0000-0001-5027-6193, bataevazb@ngs.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 219–242 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-219-242 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Считается, что с открытием в 1895 году рентгеновского излучения и дифракции рентгеновских лучей в 1912 году началась «новая эра» в области исследования материалов. Этот тип лучей ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 620.1.08 История статьи: Поступила: 04 октября 2022 Рецензирование: 02 ноября 2022 Принята к печати: 03 ноября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Компьютерная томография Компьютерная ламинография Рентгеновские методы исследования Синхротронное излучение Финансирование: Работа выполнена в соответствии с Федеральным заданием Министерства образования и науки Российской Федерации (проект FSUN-2020-0014 (2019-0931)): «Исследования метастабильных структур, формируемых на поверхностях и границах раздела материалов при экстремальном внешнем воздействии». АННОТАЦИЯ Статья содержит обзор исследований, связанных с использованием синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов, подвергнутых различным методам внешнего воздействия. Введение. Отражена важная роль рентгеновского излучения в области исследования материалов. Сопоставлены возможности стандартных рентгеновских приборов, оснащенных рентгеновскими трубками, и современных источников синхротронного излучения (СИ), характеризующихся уникальными параметрами. Методы изучения плоских образцов. Томография и синхротронная ламинография. Информативным методом, основанным на использовании синхротронного рентгеновского излучения, является компьютерная томография (SRCT), позволяющая получать изображения сечений изучаемых объектов путем обработки множества абсорбционных рентгенограмм. Представлена краткая классификация томографов пяти поколений. Проблем, возникающих при получении данных от некомпактных (неизометричных) образцов, удается избежать при использовании метода синхротронной компьютерной ламинографии (SRCL), который сочетает в себе принципы ламинографии с преимуществами синхротронной визуализации. В настоящее время метод применяется для неразрушающего контроля неизометричных объектов на ряде источников синхротронного излучения (ESRF, ANKA, Spring-8). Разрешение компьютерной синхротронной ламинографии. Использование монохроматического излучения при реализации метода компьютерной ламинографии является фактором, обеспечивающим высокое пространственное разрешение, вплоть до микронного и субмикронного масштаба. Не менее важный фактор связан с характеристиками используемого детектора. При использовании наноламинографии получены изображения с разрешением ~ 100 нм. Сравнение методов ламинографии и томографии. Метод дополненной ламинографии (Augmented laminography). Метод дополненной ламинографии (Augmented laminography) позволяет повысить качество изображений за счет дополнения пространства Фурье, анализируемого при реализации ламинографии, информации, полученной при использовании компьютерной томографии с более низким разрешением. Реконструкция, выполненная с использованием метода Augmented laminography, характеризуется отсутствием существенных артефактов и высоким разрешением. Реализация метода ламинографии. Угол наклона поворотной оси при реализации метода SRCL связан с геометрией образцов и в каждом случае определяется экспериментально. С целью достижения необходимого разрешения величина должна обеспечить оптимальное среднее значение интенсивности прошедшего излучения. Энергию рентгеновского излучения рассчитывают исходя из характеристик материала, а именно с учетом показателя поглощения излучения. Для реконструкции изображений исследуемых объектов используют программные комплексы, реализующие метод фильтрованной обратной проекции, основанный на преобразовании Радона. Примеры использования ламинографии для анализа образцов из металлических сплавов. Метод ламинографии может быть использован при выполнении in situ исследований, что позволяет в режиме реального времени контролировать процессы, развивающиеся в различных условиях внешнего воздействия, например, при пластической деформации металлических пластин. Интерес представляют данные о формировании в процессе нагружения металлических заготовок дефектов типа пор. В литературе описаны многочисленные примеры применения post-mortem исследований металлических сплавов различного назначения. Важная информация получена при изучении усталостных трещин, а также дефектов, возникающих в процессе контактно-усталостного нагружения материалов. Заключение. Реализация методов SRCT и SRCL рациональна на строящемся в Новосибирске источнике синхротронного излучения поколения 4+ «СКИФ». Для цитирования: Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований) / О.М. Кутькин, И.А. Батаев, Г.Д. Довженко, З.Б. Батаева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 219–242. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-219-242. ______ *Адрес для переписки Кутькин Олег Максимович, студент, лаборант Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: 8 (962) 811-59-27, e-mail: kutkino@list.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 220 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ оказался мощнейшим инструментом, позволяющим выявлять особенности строения материалов на разных масштабных уровнях. За период чуть больше 100 лет специалистами предложены десятки методов исследований, основанных на использовании рентгеновского излучения. В большинстве аналитических приборов в качестве источников излучения используются рентгеновские трубки. Таких приборов, выпущенных в различных странах, огромное количество, оценить которое весьма проблематично. Особый вид дорогостоящего и по многим параметрам уникального аналитического оборудования составляют ускорители частиц и специализированные источники синхротронного излучения. Синхротронное излучение (СИ) представляет собой электромагнитные колебания, создаваемые ультрарелятивистскими электронами при их движении по криволинейной траектории под действием магнитного поля. При движении по круговой орбите излучение имеет распределение интенсивности в виде конуса с углом расхождения ɣ–1 = E/mc2 рад. Максимум мощности испускаемого излучения приходится на частоту: 3 max 2 3 2 E mc Гц, где max – частота излучения; E – полная энергия электрона; m – масса электрона; c – скорость света. Изменением траектории движения электрона можно варьировать максимум излучения в широком диапазоне электромагнитной шкалы. Синхротронное излучение обладает высокой степенью линейной поляризации в плоскости орбиты электрона и большей интенсивностью по сравнению с излучением рентгеновских трубок [1]. Первыми источниками СИ были ускорители заряженных частиц, при работе которых синхротронное излучение является «паразитным». По мере выявления достоинств синхротронного излучения и увеличения числа задач, решаемых с его использованием, оказалось, что имеет смысл создавать специализированные источники СИ, в которых анализируемое излучение является не «паразитным», а основным, полезным. Уникальные параметры СИ определяют его огромные преимущества по сравнению с другими источниками, в том числе с рентгеновскими трубками. Большие значения потока фотонов обеспечивают более высокое разрешение при эквивалентном времени экспозиции путем уменьшения размеров пикселей рентгеновских детекторов либо за счет изменения размеров пучка рентгеновского излучения. Одним из методов, основанных на использовании синхротронного или рентгеновского излучения, является компьютерная томография (КТ), позволяющая получать изображения сечений изучаемых объектов обработкой множества абсорбционных рентгенограмм. При реализации анализируемого метода компьютер обеспечивает работу источника рентгеновского излучения и обработку данных, зафиксированных детектором. К преимуществам использования синхротронного источника при данном способе визуализации изображений относятся параллельность лучей и высокие значения яркости излучения, что приводит к сокращению времени сбора данных и улучшению контраста при монохроматическом излучении. С использованием томографии можно получать трехмерные картины объектов для дальнейшего их анализа. Компьютерная томография показывает очень хорошие результаты при изучении компактных (изометричных) образцов. В то же время при реализации этого метода исследований проявляются некоторые ограничения. Во-первых, для обеспечения качества получаемых изображений необходим максимально возможный доступ к изучаемому объекту. Второе ограничение связано с тем, что для предотвращения чрезмерного поглощения излучения размеры объекта должны быть небольшими. При невыполнении указанных условий на изображениях проявляются артефакты в виде искажений, не соответствующих реальному объекту. С целью уменьшения количества артефактов, возникающих при реализации метода компьютерной томографии, образец должен быть вытянут на величину, меньшую чем эффективное поле зрения 2D-детектора во всех направлениях, перпендикулярных оси вращения. С учетом этого обстоятельства наиболее рациональным является анализ образцов цилиндрической формы [2]. Указанные проблемы могут быть решены при использовании метода ламинографии, а также томографии с ограниченным углом. В свою оче-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 221 MATERIAL SCIENCE редь, метод томографии с ограниченным углом обладает недостатками, которые были рассмотрены в работе L. Helfen и др. [3]. Представленный далее обзор сфокусирован на методе синхротронной ламинографии для анализа металлических сплавов. Методы изучения плоских образцов Томография и синхротронная ламинография Один из возможных подходов к проблеме изучения некомпактных (неизометричных) образцов основан на идее синхронного перемещения источника рентгеновского излучения вместе с детектором вокруг неподвижного предмета. Такой подход был предложен в 1932 году Ziedses des Plantes, и метод на его основе назван планиграфией (planigraphies) [4]. В соответствии с этим методом для получения изображения одного сечения объекта, находящегося в фокальной плоскости, используется совокупность рентгенограмм, полученных за один цикл сканирования. Отмеченный принцип лежит в основе метода классической томографии (также называемый методом ламинографии), при реализации которого для получения изображений разных сечений необходимо изменять положение объекта исследования по вертикали. Несмотря на простоту, метод является быстрым, изображения характеризуются хорошим качеством (разрешением). В 1970-х годах такой подход [5] стали применять в медицине для изучения человека. Адаптированный принцип классической томографии (ламинографии) применялся в медицинских томографах первого поколения (рис. 1). Объектом исследования первых приборов был мозг (рис. 2). Следует подчеркнуть, что размер пикселя в них составлял 3 мм (в современных приборах – 30…200 мкм). По сравнению с современными томографами приведенное на рисунке изображение характеризуется достаточно низким качеством. Его анализ не позволяет получить полноценную информацию о состоянии пациента. Специалистами предложены различные классификации томографов. В соответствии с одной из них выделяют пять поколений томографов (рис. 1, б и 3) [7], различающихся конструктивными решениями и количеством проекций, фиксируемых детекторами. При использовании сканеров первого поколения изображения получали послойно передвижением одной остронаправленной рентгеновской трубки и одного детектора вдоль рамы. После 160 измерений рама поворачивалась на угол 1° в осевом направлении и анализировалось состояние следующего слоя. Измерение интенсивности излучения при анализе каждого слоя длилось ~ 4,5 мин, а построение изображения занимало ~ 2,5 часа. В сканере второго поколения (середина 1970-х годов) (рис. 3, а) использовалась трубка, Рис. 1. Схема классической томографии (а) [6] и схема томографа первого поколения (б) [7] Fig. 1. Schematic of classical tomography (а) [6] and schematic of the fi rst generation tomograph (б) [7] а б
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 222 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 2. Первое изображение мозга, полученное методом томографии [8] Fig. 2. The fi rst image of the brain obtained by tomography [8] формирующая веерный рентгеновский пучок в сочетании с несколькими детекторами, которые, вращаясь вокруг пациента, находились напротив друг друга. Благодаря веерному лучу и нескольким детекторам излучения угол поворота в приборах этого типа увеличился до 30°. При этом, так же как и в приборах первого поколения, был использован принцип параллельного сканирования. Время измерений, необходимое для получения одного изображения, в данном случае составляло ~18 с. В приборах третьего поколения начали использовать принцип спирального перемещения рентгеновской трубки и детекторов излучения, прошедшего через пациента. Один шаг соответствовал линейному перемещению стола на определенную величину. При этом трубка и детекторы синхронно осуществляли вращение на один полный оборот вокруг лежащего на столе пациента. Такое техническое решение позволило значительно уменьшить время исследования. Увеличилось и количество детекторов (до ~700 штук). При использовании приборов третьего поколения Рис. 3. Схемы томографов нескольких поколений [7] Fig. 3. Schematics of several generations of tomographs [7] а б в г
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 223 MATERIAL SCIENCE появилась возможность для исследования брюшной полости и легких пациента. В конструкции томографов, соответствующих четвертому поколению, совокупность неподвижных детекторов (1088 люминесцентных датчиков) располагается в виде кольца (вокруг пациента). Время сканирования (при получении одного снимка) уменьшилось до 0,7 с [7]. Главной особенностью приборов пятого поколения (начало 1980-х годов) стало использование неподвижной электронно-лучевой пушки. В процессе съемки поток электронов фокусируется и направляется на вольфрамовую мишень, находящуюся под столом пациента. Быстродействующие твердотельные детекторы располагаются напротив мишеней в форме дуги с углом 216°. Существенных отличий в качестве изображений по сравнению с предыдущим поколением оборудования нет. При этом время сканирования уменьшилось до 33 мс. Такие томографы могут быть примененны для исследования сердца. J. Zhou с соавторами в работе [6] представили новый подход к использованию ламинографии для исследования материалов. В соответствии с ним анализируемый объект линейно перемещается относительно веерного пучка, созданного микрофокусной рентгеновской трубкой (рис. 4). Такое решение позволяет получать данные, соответствующие повороту на угол для объекта, находящегося в параллельном пучке. Предложенный J. Zhou с соавторами метод имеет ряд преимуществ по сравнению с классической томографией. За одно сканирование он позволяет получить изображение всего объема образца. Его практическая реализация обеспечивает улучшенное качество изображения сечений (без эффекта размытия). Принципы формирования излучения при использовании синхротронных источников и рентгеновских трубок существенно отличаются. По этой причине для источников СИ предложены иные технические решения, позволяющие получать томографические изображения. Метод синхротронной компьютерной томографии (Synchrotron radiation computed tomography – SRCT) предполагает, что образец вращается вокруг оси, перпендикулярной потоку рентгеновского излучения (рис. 5, а). Проблем, возникающих при получении данных от некомпактных (неизометричных) образцов, удается избежать с помощью метода синхротронной компьютерной ламинографии (Synchrotron radiation computed laminography – SRCL), предложенного в 2005 году L. Helfen с соавторами [9]. На установке, совместимой со стационарным синхротронным источником (ESRF, станция ID19), ими была разработана Рис. 4. Реализация процесса ламинографии по схеме, предложенной J. Zhou и др. [6] Fig. 4. Implementation of the laminography process according to the scheme proposed by J. Zhou [6] Рис. 5. Схемы установок, реализующих принцип томографии (а) и ламинографии (б) [12] Fig. 5. Schematics of setups, implementing the principle of tomography (а) and laminography (б) [12] а б
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1