SURFACE TOPOLOGY OF MIXING ENTROPY AFTER TWO-PULSE LASER ABLATION OF STAINLESS STEEL

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents experiments on crystallization from a melt with an analysis of the morphology of the emerging crystal structures, showing examples of the formation of dendritic crystals. Using energy dispersive X-ray analysis, studies of the microelement analysis of the areas of effect of two pulsed laser beams on the surface of stainless steel have been carried out for irradiation parameters corresponding to the appearance of dendritic structures in the area of effect. It is shown that in the dendritic regions concentrations of all the components of AISI 304 stainless steel are equalized. Estimation of the entropy of mixing from experimental data showed that in the area of surface dendrites or their accumulations, the surface entropy of mixing corresponded to its value for a high-entropy alloy. Based on the maximum entropy production principle, the phase transition temperature was calculated. Although dendritic crystallization should reduce the entropy of the system, experiments show that the entropy of the alloy increases. Preliminarily it can be concluded that this process is associated with a high oxygen content in the region of dendritic crystal formation after laser irradiation. The results presented in this work allow us to conclude that the formation of structures with complex morphology occurs after thermal oxidative ablation.

About the authors

Daria D. Tumarkina

Stoletov Vladimir State University

Email: murrkiss2009@yandex.RUS
Vladimir, Russia

Oleg Ya. Butkovskii

Stoletov Vladimir State University

Vladimir, Russia

Arkady V. Bolachkov

Stoletov Vladimir State University

Vladimir, Russia

Anton A. Burtsev

ILIT RAS - Branch of FSRC «Crystallography and Photonics» RAS

Shatura, Russia

References

  1. Handbook of laser welding technologies / ed. S. Katayama // Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. - Oxford, Cambridge, Philadelphia, New Delhi: Woodhead Publishing Limited, 2013.- 654 p.
  2. Toyserkani, E. Laser cladding / E. Toyserkani, A. Khajepour, S. Corbin. - Boca Raton, London, New York, Washington: CRC Press, 2005. - 263 p. doi: 10.1201/9781420039177.
  3. Завестовская, И.Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов / И.Н. Завестовская // Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - Вып. 11. - C. 942-954.
  4. Марукович, Е.Н. Наноструктурная кристаллизация металлов / Е.Н. Марукович, В.Ю. Стеценко, А.В. Стеценко // Литьё и металлургия. - 2021. - Вып. 2. - С. 23-26. doi: 10.21122/1683-6065-2021-2-23-26.
  5. Kirkpatrick, R.J. Crystal growth from the melt: a review / R.J. Kirkpatrick // American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials. - 1975. - V. 60. - №. 9-10. - P. 798-814.
  6. Вайнгард, У. Введение в физику кристаллизации металлов / У. Вайнгард; пер. с англ. О.В. Абрамова, под ред. Я.С. Уманского. - М.: Мир, 1967. - 170 с.
  7. Брылкин, Ю.В. Соотношение фрактальной размерности и различной шероховатости для образцов меди / Ю.В. Брылкин, А.Л. Кусов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур инаноматериалов. - 2013.- Вып. 5. - С. 33-38.
  8. Брылкин, Ю.В. Исследование зависимости физических свойств поверхности от фрактальной размерности / Ю.В. Брылкин, А.Л. Кусов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2015. - Вып. 7. - C. 142-149.
  9. Бавыкин, О.Б. Взаимосвязь свойств поверхности и ее фрактальной размерности / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2013. - Т.2. - № 1(15). - C. 14-18.
  10. Андреева, Л.В. Закономерности кристаллизации растворенных веществ из микрокапли / Л.В. Андреева, А.С. Новоселова, П.В. Лебедев-Степанов и др. // Журнал технической физики. - 2007.- Т. 77. - № 2. - C. 22-30.
  11. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В, Иванов. - Тверь: ТвГУ, 2019. - 168 с.
  12. Антонов, А.С. Исследование фрактальных свойств наноразмерных пленок золота, серебра и меди: атомно-силовая и туннельная микроскопия / А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков, Д.В. Иванов и др. // Химическая физика и мезоскопия. - 2017. - Т. 19. - № 3. - С. 473-486.
  13. Novontny, L. Principles of nano-optics / L. Novotny, B. Hecht; 2nd ed. - Cambridge: Cambridge University Press, 2006. - 539 p.
  14. Климов, В.В. Наноплазмоника / В.В. Климов. - М: Физмалит, 2010. - 480 с.
  15. Краснок, А.Е. Оптические наноантенны / А.Е. Краснок, И.С. Максимов, А.И, Денисюк и др. // Успехи физических наук. - 2013. - V. 183. - Вып. 6. - С. 561-589. doi: 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.
  16. Каблов, Е.Н. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных и интерметаллидных сплавов с монокристаллической структурой / Е.Н. Каблов, Ю.А. Бондаренко, А.Б. Ечин и др. // Вестник Московского государственного технического университета им. НЭ Баумана. Серия "Машиностроение". - 2011. - № S2. - С. 20-25.
  17. Антонов, Д.Н. Распределение дендритов, получаемых на поверхности стали в результате воздействия лазерного излучения / Д.Н. Антонов, А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский // Журнал технической физики.- 2016. - T. 86. - Вып.1. - С.110-115.
  18. Бурцев, А.А. Экспериментальные исследования условий формирования дендритных кристаллов на поверхности металлов лазерным излучением / А.А. Бурцев, Е.М. Притоцкий, А.П. Притоцкая и др. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2019. - Т. 19. - Вып. 1. - С. 33-38. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-1-33-38.
  19. Панченкова, Ю.А. Исследование факторов, определяющих дисперсность дендритных структур сталей / Ю.А. Панченкова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2012. - Т. 1. - Вып. 8.- С. 126-127.
  20. Бурцев, А.А. Исследование процесса образования фрактального кристалла / А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский, А.В. Сагитова и др. // ХII Всероссийская конференция молодых ученых "Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика", Саратов, 5-7 сентября 2017: тезисы докладов.- Саратов: Изд-во "Техно-Декор", 2017. - С. 22-24.
  21. Ишина, Е.А. Неравновесная кристаллизация. Кинетика кристаллизации сплавов / Е.А. Ишина, Н.Н. Кудряшова, О.В. Маслова. - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2021. - 96 с.
  22. Спивак, Л.В. Особенности полиморфных превращений в железе и цирконии / Л.В. Спивак, Н.Е. Щепина // Журнал технической физики. - 2020. - Т. 90. - Вып. 7. - С. 1145-1150. doi: 10.21883/JTF.2020.07.49449.381-19.
  23. Wang, S. Atomic structure modeling of multi-principal-element alloys by the principle of maximum entropy / S. Wang // Entropy. - 2013. - V. 15. - I. 12. - P. 5536-5548. doi: 10.3390/e15125536.
  24. Бурцев, А.А. Анализ кристаллических структур на поверхности нержавеющей стали / А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов.- 2019. - Вып. 11. - С. 107-114. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.107
  25. Волков, А.В. Термоокислительная деструкция пленок молибдена при лазерной абляции / А.В. Волков, Н.Л. Казанский, О.Ю. Моисеев, С.Д. Полетаев // Журнал технической физики. - 2015.- Т. 84. - Вып. 2. - С. 107-111.
  26. Николис, Г. Познание сложного: Введение / Г. Николис, И.Р. Пригожин. - М.: Ленанд, 2014. - 355 с.
  27. Мартюшев, Л.М. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях / Л.М. Мартюшев, В.Д. Селезнёв. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. - 83 с.
  28. Майсурадзе, М.В. Структурообразование при непрерывном охлаждении экспериментальных машиностроительных сталей / М.В. Майсурадзе, М.А. Рыжков, А.А. Куклина, О.А. Сурнаева // XVII международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых. Ч. 1.- Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2016. - 2016. - Т. 1. - №. 17. - С. 131-135.
  29. Халенов, О.С. Термодинамические аспекты электрической проводимости кристаллов и твердых растворов / О.С. Халенов, В.М. Юров, М.В. Коровкин // Фундаментальные исследования. - 2014.- №. 6-7. - С. 1384-1388.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).