Отправить статью по E-mail 
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И МИКРОТВЕРДОСТИ ТАНТАЛА В УСЛОВИЯХ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ РАЗНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
- Авторы: Боровицкая И.В1, Пименов В.Н1, Масляев С.А1, Демина Е.В1, Демин А.С1, Морозов Е.В1, Епифанов Н.А1, Михайлова А.Б1, Латышев С.В1,2, Бондаренко Г.Г3, Матвеев Е.В4, Гайдар А.И4
-
Учреждения:
- ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
- Московский технический университет связи и информатики
- Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
- Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий
- Выпуск: № 3 (2024)
- Страницы: 82-93
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0869-5733/article/view/261823
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0869573324038293
- ID: 261823
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Проведено исследование воздействия импульсных потоков высокотемпературной плазмы и ионов D+ и He+, генерируемых в двух установках Плазменный фокус с энергозапасом Е до ~1 MДж (установка ПФ-1000) и Е ≈ 5 кДж (ПФ «Вихрь»), на листовые образцы из тантала. Определены общие черты и различия в изменении микроструктуры, текстуры и микротвердости их поверхностных слоев после облучения. Выполнено численное моделирование воздействия быстрых ионов D+ и He+ на танталовую мишень в условиях, соответствующих проведенным экспериментам. Расчеты показали, что при облучении в режиме, реализованном на более мощной установке ПФ-1000, за 1 импульс испаряется поверхностный слой ~6 мкм, что превышает глубину проникновения ионов D+ и He+ с энергией 100 кэВ в танталовую мишень (1,1 мкм для D+ и 0,6 мкм для He+). В то же время в более мягком режиме облучения с использованием установки ПФ «Вихрь» толщина испаренного слоя (~0,5 мкм) меньше глубины проникновения ионов. Следствием этого являются более выраженные изменения в микроструктуре после облучения в ПФ «Вихрь»: появление множества кратеров (следов выхода имплантированного газа) и микротрещин, образованию которых способствуют дополнительные напряжения, создаваемые этими газами в тантале, а также термические напряжения, возникающие на стадии охлаждения. Имплантация газовых ионов приводит к увеличению микротвердости поверхностного слоя в образцах, облученных гелием или дейтерием в экспериментах на ПФ «Вихрь», в то время как после облучения дейтерием в установке ПФ-1000 микротвердость или не меняется, или незначительно снижается. В поверхностных слоях облученных образцов формируется текстура, обусловленная направленным теплоотводом при охлаждении и кристаллизации оплавленного слоя. Основной чертой изменений является увеличение интенсивности рефлексов от семейства плоскостей {211}, более выраженное в образцах, облученных в ПФ «Вихрь». Исследовано влияние типа рабочего газа (дейтерия или гелия) на микроструктуру, текстуру и микротвердость поверхностного слоя после облучения образцов тантала в установке ПФ «Вихрь». Заметной разницы в изменениях морфологии поверхности и текстуры при использовании дейтерия или гелия не обнаружено. В то же время микротвердость значительно больше повышается при использовании в качестве рабочего газа гелия, чем при использовании дейтерия.
Об авторах
И. В Боровицкая
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Email: symp@imet.ac.ru
Москва
В. Н Пименов
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
С. А Масляев
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
Е. В Демина
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
А. С Демин
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
Е. В Морозов
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
Н. А Епифанов
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
А. Б Михайлова
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНМосква
С. В Латышев
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Московский технический университет связи и информатики
Email: latyshevsv@rambler.ru
Москва; Москва
Г. Г Бондаренко
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Email: bondarenko_gg@rambler.ru
Москва
Е. В Матвеев
Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий
Email: niipmt@mail.ru
Москва
А. И Гайдар
Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологийМосква
Список литературы
- Конструкционные материалы ядерных реакторов: в 2 ч. Ч.II. Структура, свойства, назначение / под общ. ред. Н.М. Бескоровайного. — М. : Атомиздат, 1977. 256 с.
- Калин, Б.А. Материаловедческие проблемы экологии в области ядерной энергетики / Б.А. Калин, В.И. Польский, В.Л. Якушин, И.И. Чернов. — М. : НИЯУ МИФИ, 2010. 184 с.
- Murgatroyd, R.A. Technology and assessment of neutron absorbing materials / R.A. Murgatroyd, B.T. Kelly // Atomic Energy Rev. 1977. V.15. №1. P.3—74.
- Клочков, Е.П. Использование тантала для органов регулирования ядерных реакторов на быстрых нейтронах / Е.П. Клочков, Е.М. Муралева // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2012. T.14. №4(4). С.975—979.
- Bachurina, D. Brazing tungsten/tantalum/RAFM steel joint for DEMO by fully reduced activation brazing alloy 48Ti-48Zr-4Be / D. Bachurina, A. Suchkov, J. Gurova, V. Kliucharev, V. Vorkel, M. Savelyev, P. Somov, O. Sevryukov // Metals (Basel). 2021. V.11. Art. 1417. DOI : 10.3390/met11091417.
- Gasparyan, Y. Deuterium retention in the elements of plasma facing components for the DEMO first wall / Y. Gasparyan, D. Bachurina, V. Efimov, J. Gurova, F. Podolyako, N. Sergeev, I. Sorokin, A. Suchkov, N. Bobyr, I. Kozlov, E. Kulikova, A. Spitsyn // J. Nucl. Mater. 2022. V.567. Art.153837.
- Bachurina, D. Joining of tungsten with lowactivation ferritic-martensitic steel and vanadium alloys for DEMO reactor / D. Bachurina, A. Suchkov, B. Kalin, O. Sevriukov, I. Fedotov, P. Dzhumaev, A. Ivannikov, M. Leont’eva-Smirnova, E. Mozhanov // Nucl. Mater. Energy. 2018. V.15. P.135—142.
- Byun, Thak Sang. Dose dependence of mechanical properties in tantalum and tantalum alloys after low temperature irradiation / Thak Sang Byun, Stuart A. Maloy // J. Nucl. Mater. 2008. V.377. P.72—79.
- Wen Yin. First-princi ples study of the interaction between helium and the defects in tantalum / Wen Yin, Xuejun Jia, Quanzhi Yu, Tianjiao Liang // J. Nucl. Mater. 2016. V.480. P.202—206.
- Caretta, O. Water erosion tests on a tantalum sample : A short communication / O. Caretta, T. Davenne, C.J. Densham // J. Nucl. Mater. 2017. V.492. P.52—55.
- Hosemann, P. Oxygen effects on irradiated tantalum alloys / P. Hosemann, S.A. Maloy, R.R. Greco, J.G. Swadener, T. Romero // J. Nucl. Mater. 2009. V.384. P.25—29.
- Савицкий, Е.М. Тугоплавкие металлы и сплавы / Е.М. Савицкий, Г.С. Бурханов, К.Б. Поварова [и др.]. — М. : Металлургия, 1986. 352 с.
- Грибков, А.А. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин, В.Л. Якушин. — М. : Изд-во Круглый год, 2001. 528 c.
- Грибков, В.А. Исследование повреждаемости материалов с использованием установки Плазменный фокус «Вихрь» / В.А. Грибков, И.В. Боровицкая, А.С. Дёмин, С.А. Масляев, Е.В. Морозов, В.Н. Пименов, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар // Зав. лаб. Диагн. матер. 2019. Т.85. №8. С.29—36.
- Грибков, В.А. Установка «Вихрь» типа «Плазменный фокус» для диагностики радиационно-термической стойкости материалов, перспективных для термоядерной энергетики и аэрокосмической техники / В.А. Грибков, И.В. Боровицкая, А.С. Демин, Е.В. Морозов, С.А. Масляев, В.Н. Пименов, А.В. Голиков, А.К. Дулатов, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар // Приборы и техника эксперимента. 2020. №1. С.75—83.
- Боровицкая, И.В. Воздействие импульсных потоков азотной плазмы и ионов азота на структуру и механические свойства ванадия / И.В. Боровицкая, В.Я. Никулин, Г.Г. Бондаренко, А.Б. Михайлова, П.В. Силин, А.И. Гайдар, В.В. Парамонова, Е.Н. Перегудова // Металлы. 2018. №2. С.54—64. —
- Пименов, В.Н. Повреждаемость ниобия импульсными потоками ионов гелия и гелиевой плазмы / В.Н. Пименов, И.В. Боровицкая, А.С. Дёмин, Н.А. Епифанов, С.В. Латышев, С.А. Масляев, Е.В. Морозов, И.П. Сасиновская, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар // ФиХОМ. 2021. №6. С.5—17.
- Грибков, В.А. Воздействие экстремальных потоков энергии на хромомарганцевую аустенитную сталь Х12Г14Н4ЮМ, модифицированную скандием / В.А. Грибков, А.С. Демин, Е.В. Демина, А.В. Дубровский, С.А. Масляев, В.Н. Пименов, М.Д. Прусакова, И.П. Сасиновская, М. Шольц, Л. Карпинский // ФиХОМ. 2012. №4. С.5—12.
- Пименов, В.Н. Воздействие импульсных потоков ионов дейтерия и дейтериевой плазмы на сплавы систем медь-никель и медь-никель-галлий / В.Н. Пименов, И.В. Боровицкая, В.А. Грибков, А.С. Демин, Н.А. Епифанов, С.А. Масляев, Е.В. Морозов, И.П. Сасиновская, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар, М. Падух // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2022. №1. C.41—50. DOI : 10.31857/S1028096022010150.
- Боровицкая, И.В. Повреждаемость поверхностного слоя сплава Инконель 718 импульсными пучковоплазменными потоками / И.В. Боровицкая, А.С. Демин, О.А. Комолова, С.В. Латышев, С.А. Масляев, И.С. Монахов, Е.В. Морозов, В.Н. Пименов, И.П. Сасиновская, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар, И.А. Логачев // ФиХОМ. 2023. №2. С.5—17. DOI : 10.30791/0015-3214-2023-2-5-17.
- Морозов, Е.В. Особенности повреждаемости и структурных изменений в поверхностном слое вольфрама при импульсном воздействии лазерного излучения, потоков ионов и плазмы / Е.В. Морозов, А.С. Демин, В.Н. Пименов, В.А. Грибков, В.В. Рощупкин, С.А. Масляев, С.В. Латышев, Е.В. Демина, Е.Е. Казилин, А.Г. Кольцов, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар. // ФиХОМ. 2017. №4. C.5—18.
- Gribkov, V.A. Plasma dynamics in PF-1000 device under full-scale energy storage : I. Pinch dynamics, shock-wave diffraction, and inertial electrode / V.A. Gribkov, B. Bienkowska, M Borowiecki, A.V. Dubrovsky, Ivanova-Stanik, L. Karpinski, R.A. Miklaszewski, M. Paduch, M. Scholz, K. Tomaszewski // J. Phys. D : Applied Physics. 2007. V.40. P.1977—1989. DOI : 10.1088/0022-3727/40/7/021.
- ГОСТ Р ИСО 6507-1—2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Ч.1. Метод измерения. — М. : Стандартинформ, 2008.
- ГОСТ 9450—76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. — М. : Изд-во стандартов, 1993. 36 с.
- Yovanovich, M. Microand macrohardness measurements, correlations, and contact models / M. Yovanovich // 44th AIAA aerospace sciences meeting and exhibit. 2006. V.979. P.1—28. https://doi.org/10.2514/6.2006-979.
- Грибков, В.А. Численное моделирование взаимодействия импульсных потоков энергии с материалом в установках Плазменный фокус / В.А. Грибков, С.В. Латышев, С.А. Масляев, В.Н. Пименов // ФиХОМ. 2011. №6. С.16—22.
- Латышев, С.В. Генерация ударных волн в материаловедческих экспериментах на установках Плазменный фокус / С.В. Латышев, В.А. Грибков, С.А. Масляев, В.Н. Пименов, М. Падух, Э. Желиньска // Перспективные материалы. 2014. №8. С.5—12.
- Физические величины : справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М. : Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
- Новиков, И.И. Теория термической обработки / И.И. Новиков. — М. : Металлургия, 1986. 480 с.
- Поскакалов, А.Г. Изменение структуры приповерхностного слоя вольфрама и накопление дейтерия при импульсных плазменных нагрузках / А.Г. Поскакалов, Н.С. Климов, Ю.М. Гаспарян, О.В. Огородникова, В.С. Ефимов // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2018. Т.41. Вып.1. С.23—28. DOI : 10.21517/0202-3822-2018-41-1-23-28.
- Гусева, М.И. Радиационный блистеринг / М.И. Гусева, Ю.В. Мартыненко // Успехи физ. наук. 1981. Т.135. С.671—691.
- Боровицкая, И.В. Влияние облучения высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмой на структуру и механические свойства поверхности сплавов систем Cu-Ga и Cu-Ga-Ni / И.В. Боровицкая, В.Н. Пименов, С.А. Масляев, А.Б. Михайлова, Г.Г. Бондаренко, Е.В. Матвеев, А.И. Гайдар, М. Падух, А.С. Дёмин, Н.А. Епифанов, Е.В. Морозов // Металлы. 2022. №1. С.55—64. —
- Боровицкая, И.В. Воздействие импульсных потоков ионов гелия и гелиевой плазмы на сплав Инконель 718 / И.В. Боровицкая, В.А. Грибков, К.В. Григорович, А.С. Демин, С.А. Масляев, Е.В. Морозов, В.Н. Пименов, Г.С. Спрыгин, А.Б. Цепелев, М.С. Гусаков, И.А. Логачев, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар // Металлы. 2018. №5. С.39—47. —
- Боровицкая, И.В. Влияние импульсных пучковоплазменных воздействий на структурные характеристики и механические свойства поверхностного слоя в сплаве Инконель 718 / И.В. Боровицкая, А.С. Демин, О.А. Комолова, С.В. Латышев, С.А. Масляев, А.Б. Михайлова, И.С. Монахов, Е.В. Морозов, В.Н. Пименов, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар, И.А. Логачев, Е.В. Матвеев // Металлы. 2023. №4. С.34—42. —
- Пименов, В.Н. Поверхностные эффекты при воздействии импульсных потоков ионов азота и азотной плазмы на сплав системы Ti-Al-V / В.Н. Пименов, В.В. Рощупкин, С.А. Масляев, Е.В. Демина, М.М. Ляховицкий, В.А. Грибков, А.В. Дубровский, И.П. Сасиновская // Перспективные материалы. 2011. №4. С.77—85.
- Боровицкая, И.В. Изменение морфологии и прочностных свойств поверхности ванадия при воздействии ионов гелия и импульсного лазерного излучения / И.В. Боровицкая, С.Н. Коршунов, А.Н. Мансурова, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар, Е.В. Матвеев, Е.Е. Казилин // Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. №1. С.67—73.
- Данелян, Л.С. Влияние облучения ионами Ar+ на свойства поверхности ванадия и его сплавов / Л.С. Данелян, С.Н. Коршунов, А.Н. Мансурова, В.В. Затекин, В.С. Куликаускас, И.В. Боровицкая, Л.И. Иванов, В.В. Парамонова, М.М. Ляховицкий // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2011. Вып.2. С.46—52.
Дополнительные файлы
