Модификация поверхности и распыление сплавов FeCrAl при воздействии низкоэнергетической водородной плазмы

  • Галина Дмитриевна Толстолуцкая Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина https://orcid.org/0000-0003-3091-4033
  • Михаил Андреевич Тихоновский Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина
  • Виктор Николаевич Воеводин Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина; Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, площадь Свободы, 4, 61022, г. Харьков, Украина
  • Аркадий Валерьевич Никитин Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина
  • Александр Степанович Тортика Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина
  • Руслан Леонидович Василенко Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2019-3-73-80

Аннотация

В работе исследованы процессы распыления и модификации поверхности коммерческих и экспериментальных сплавов FeCrAl, легированных иттрием, молибденом и цирконием. С помощью сканирующей электронной микроскопии показано, что под воздействием низкоэнергетической (500 эВ) водородной плазмы с потоком около 3,2 ⋅ 1020 м–2 ⋅ с–1 и флюенсом 4 ⋅ 1024 м–2 при комнатной температуре морфология поверхности развивается вследствие образования канавок вдоль границ зерен, макро- и микротрещин, а также ямок, обусловленных распылением  преципитатов. Определение состава последних энергодисперсионным рентгеновским спектрометром позволило установить, что оксид алюминия преимущественно распределен в зернах сплавов на основе FeCrAl, а оксиды иттрия локализованы по границам зерен. Результаты эрозионных исследований показали, что коэффициенты распыления для водорода у всех сплавов составляют 1,05– 0,38 ат./ион и не превышают таковых для чистого железа  и хрома в опубликованных данных. Для экспериментальных сплавов, легированных иттрием и молибденом, получено, что коэффициенты распыления в несколько раз меньше, чем у стали SS304, и только в полтора раза выше по сравнению с вольфрамом.

Биографии авторов

Галина Дмитриевна Толстолуцкая, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина

доктор физико-математических наук, профессор; начальник лаборатории физики взаимодействия ионных пучков с материалами

Михаил Андреевич Тихоновский, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина

кандидат физико-математических наук; начальник лаборатории наноматериалов

Виктор Николаевич Воеводин, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина; Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, площадь Свободы, 4, 61022, г. Харьков, Украина

член-корреспондент НАН Украины, доктор физико-математических наук, профессор; директор Института физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», профессор кафедры реакторного материаловедения и физических технологий физико-технического факультета Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина

Аркадий Валерьевич Никитин, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина

кандидат физико-математических наук; научный сотрудник лаборатории физики взаимодействия ионных пучков с материалами

Александр Степанович Тортика, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина

начальник группы лаборатории наноматериалов

Руслан Леонидович Василенко, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, 61108, г. Харьков, Украина

младший научный сотрудник лаборатории электронно-микроскопических исследований структуры облученных материалов

Литература

  1. Yamamoto Y, Pint BA, Terrani KA, Field KG, Yang Y, Snead LL. Development and property evaluation of nuclear grade wrought FeCrAl fuel cladding for light water reactors. Journal of Nuclear Materials. 2015;467(2):703–716. DOI: 10.1016/j.jnucmat. 2015.10.019.
  2. Pint BA, Dryepondt SN, Unocic KA, Hoelzer DT. Development of ODS FeCrAl for compatibility in fusion and fission energy applications. Journal of the Minerals Metals & Materials Society. 2014;66(12):2458–2466. DOI: 10.1007/s11837-014-1200-z.
  3. Sigmund P. Theory of sputtering. I. Sputtering yields of amorphous and polycrystalline targets. Physical Review. 1969;184(2):383–345. DOI: 10.1103/PhysRev.187.768.
  4. Roth J, Sugiyama K, Alimov V, Hoeschen T, Baldwin MJ, Doerner R. EUROFER as wall material: Reduced sputtering yields due to W surface enrichment. Journal of Nuclear Materials. 2014;454(1–3):1– 6. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.07.042.
  5. Bannikh OA, Budberg PB, Alisova SP. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh i mnogokomponentnykh sistem na osnove zheleza [State diagrams of binary and multicomponent systems on the base of iron]. Moscow: Metallurgiya; 1986. 440 p. Russian.
  6. Nikitin AV, Tolstolutskaya GD, Ruzhytskyi VV, Voyevodin VN, Kopanets IE, Karpov SA, et al. Blister formation on 13Cr2MoNbVB ferritic-martensitic steel exposed to hydrogen plasma. Journal of Nuclear Materials. 2016;478:26–31. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2016.05.032.
  7. Reznichenko VV, Somov AI, Tikhonovsky MA. [Microstructure and strength of the eutectic composition Fe – Fe2Zr]. Fizika metallov i metallovedenie. 1973;37(3):657– 659. Russian.
  8. Bohdansky J. A universal relation for the sputtering yield of monatomic solids at normal ion incidence. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 1984;2(1–3):587–591. DOI: 10.1016/0168583X(84)90271-4.
  9. Andersen HH, Bay HL. Sputtering yield measurements. In: Behrisch R, editor. Sputtering by Particle Bombardment. I. Physical Sputtering of Single-Element Solids. Berlin: Springer; 1981. p. 145–218.
  10. Sugiyama K, Schmid K, Jacob W. Sputtering of iron, chromium and tungsten by energetic deuterium ion bombardment. Nuclear Materials and Energy. 2016;8:1–7. DOI: 10.1016/j.nme.2016.05.016. 11. Wiesen S, Groth M, Wischmeier M, Brezinsek S, Jarvinen А, Reimold F, et al. Plasma edge and plasma-wall interaction modelling: Lessons learned from metallic devices. Nuclear Materials and Energy. 2017;12:3–17. DOI: 10.1016/j.nme.2017.03.033.
Опубликован
2019-10-03
Ключевые слова: ферритные сплавы FeCrAl, водородная плазма, морфология поверхности, эрозия, коэффициент распыления
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке Национальной академии наук Украины (программа «Поддержка развития приоритетных направлений научных исследований» (КПКВК 6541230)).
Как цитировать
Толстолуцкая, Г. Д., Тихоновский, М. А., Воеводин, В. Н., Никитин, А. В., Тортика, А. С., & Василенко, Р. Л. (2019). Модификация поверхности и распыление сплавов FeCrAl при воздействии низкоэнергетической водородной плазмы. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 73-80. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2019-3-73-80
Выпуск
№ 3 (2019): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2019 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).