Структурно-фазовые изменения в концентрированных твердых растворах системы V – Nb – Ta – Ti, облученных ионами криптона

  • Владимир Васильевич Углов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Сергей Владимирович Злоцкий Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Михаил Михайлович Белов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Азамат Еркнулы Рыскулов Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана
  • Игорь Александрович Иванов Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана
  • Алишер Ерметович Курахмедов Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана
  • Даулет Айтмагомбетович Мустафин Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана
  • Эсет Деулетулы Сапар Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана
  • Ке Джин Пекинский технологический институт, ул. Южная, 5, Чжунгуаньцунь, 100811, г. Пекин
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2023-1-14–24

Аннотация

Приведены результаты влияния облучения при комнатной температуре низкоэнергетическими ионами криптона (энергия 280 кэВ и флюенс 5 ⋅ 1015 см–2) на структурно-фазовое состояние многокомпонентных твердых растворов на основе системы V – Nb – Ta – Ti. Методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа было установлено, что сформированные бинарные, тройные и четверные сплавы системы V – Nb – Ta – Ti являются равнокомпозиционными однофазными твердыми растворами, имеют однородное распределение элементов в приповерхностном слое и обладают сжимающими микро- и макронапряжениями, рассчитанными методами Холдера – Вагнера и sin2 ψ. При облучении ионами криптона сплавов системы V – Nb – Ta – Ti существенных изменений в структурно-фазовом состоянии не выявлено. Распада твердого раствора и нарушения равнокомпозиционности и однородности распределения элементов в приповерхностном слое не происходит. Облучение ионами криптона приводит к изменению уровня микро- и макронапряжений для всех сплавов системы V – Nb – Ta – Ti.

Биографии авторов

Владимир Васильевич Углов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий кафедрой физики твердого тела физического факультета

Сергей Владимирович Злоцкий, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник кафедры физики твердого тела физического факультета

Михаил Михайлович Белов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студент физического факультета

Азамат Еркнулы Рыскулов, Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана

кандидат физико-математических наук; инженер службы управления циклотрона ДЦ-60

Игорь Александрович Иванов, Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана

кандидат физико-математических наук; начальник циклотрона ДЦ-60

Алишер Ерметович Курахмедов, Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана

начальник службы управления циклотрона ДЦ-60

Даулет Айтмагомбетович Мустафин, Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана

начальник службы управления циклотрона ДЦ-60

Эсет Деулетулы Сапар, Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан, ул. Ибрагимова, 1, 050032, г. Астана

инженер службы высокочастотных систем и источника электронного циклотронного резонанса циклотрона ДЦ-60

Ке Джин, Пекинский технологический институт, ул. Южная, 5, Чжунгуаньцунь, 100811, г. Пекин

доктор наук (материаловедение и инженерия); профессор

Литература

  1. Armstrong RC, Wolfram C, de Jong KP, Gross R, Lewis NS, Boardman B, et al. The frontiers of energy. Nature Energy. 2016;1(1):15020. DOI: 10.1038/nenergy.2015.20.
  2. Zinkle SJ, Busby JT. Structural materials for fission and fusion energy. Materials Today. 2009;12(11):12–19. DOI: 10.1016/S1369-7021(09)70294-9.
  3. Henry J, Maloy SA. Irradiation-resistant ferritic and martensitic steels as core materials for generation IV nuclear reactors. In: Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors. Sawston: Woodhead Publishing; 2017. p. 329–355. DOI: 10.1016/B978-0-08-100906-2.00009-4.
  4. Murty KL, Charit I. Structural materials for gen-IV nuclear reactors: challenges and opportunities. Journal of Nuclear Materials. 2008;383(1–2):189–195. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2008.08.044.
  5. Zinkle SJ, Terrani KA, Snead LL. Motivation for utilizing new high-performance advanced materials in nuclear energy systems. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2016;20(6):401–410. DOI: 10.1016/j.cossms.2016.10.004.
  6. Jin K, Bei H. Single-phase concentrated solid-solution alloys: bridging intrinsic transport properties and irradiation resistance. Frontiers in Materials. 2018;5(26):1–11. DOI: 10.3389/fmats.2018.00026.
  7. Yeh JW, Chen YL, Lin SJ, Chen SK. High-entropy alloys – a new era of exploitation. Materials Science Forum. 2007;560:1–9. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.560.1.
  8. Tsai M-H, Yeh J-W. High-entropy alloys: a critical review. Materials Research Letters. 2014;2(3):107–123. DOI: 10.1080/21663831.2014.912690.
  9. Yeh JW. Recent progress in high-entropy alloys. Annales de Chimie Science des Materiaux. 2006;31(6):633–648.
  10. Miracle DB, Senkov ON. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Materialia. 2017;122:448–511. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.081.
  11. Sellami N, Debelle A, Ullah MW, Christen HM, Keum JK, Bei H, et al. Effect of electronic energy dissipation on strain relaxation in irradiated concentrated solid solution alloys. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2019;23(2):107–115. DOI: 10.1016/j.cossms.2019.02.002.
  12. Jin K, Mu S, An K, Porter WD, Samolyuk GD, Stocks GM, et al. Thermophysical properties of Ni-containing single-phase concentrated solid solution alloys. Materials and Design. 2017;117:185–192. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.12.079.
  13. Zarkadoula E, Samolyuk G, Weber WJ. Effects of electron-phonon coupling and electronic thermal conductivity in high energy molecular dynamics simulations of irradiation cascades in nickel. Computational Materials Science. 2019;162:156–161. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.02.039.
  14. Zhao S, Egami T, Stocks GM, Zhang Y. Effect of d electrons on defect properties in equiatomic NiCoCr and NiCoFeCr concentrated solid solution alloys. Physical Review Materials. 2018;2(1):013602. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.013602.
  15. Zhao S, Osetsky Y, Barashev AV, Zhang Y. Frenkel defect recombination in Ni and Ni-containing concentrated solid ‒ solution alloys. Acta Materialia. 2019;173:184–194. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.04.060.
  16. Lu C, Niu L, Chen N, Jin K, Yang T, Xiu P, et al. Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single-phase alloys. Nature Communications. 2016;7(1):13564. DOI: 10.1038/ncomms13564.
  17. Lu C, Yang T, Niu L, Peng Q, Jin K, Crespillo ML, et al. Interstitial migration behavior and defect evolution in ion irradiated pure nickel and Ni – xFe binary alloys. Journal of Nuclear Materials. 2018;509:237–244. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2018.07.006.
  18. Senkov ON, Miracle DB, Chaput KJ, Couzinie J-P. Development and exploration of refractory high entropy alloys – a review. Journal of Materials Research. 2018;33(19):3092–3128. DOI: 10.1557/jmr.2018.153.
  19. Gao MC, Doğan ÖN, King P, Rollett AD, Widom M. The first-principles design of ductile refractory alloys. JOM. 2008;60(7):61–65. DOI: 10.1007/s11837-008-0092-1.
  20. Yao HW, Qiao JW, Gao MC, Hawk JA, Ma SG, Zhou HF, et al. NbTaV-(Ti,W) refractory high-entropy alloys: experiments and modeling. Materials Science and Engineering. 2016;674:203–211. DOI: 10.1016/j.msea.2016.07.102.
  21. Yao HW, Qiao JW, Hawk JA, Zhou HF, Chen MW, Gao MC. Mechanical properties of refractory high-entropy alloys: experiments and modeling. Journal of Alloys and Compounds. 2017;696:1139–1150. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.11.188.
  22. Lee C, Song G, Gao MC, Feng R, Chen P, Brechtl J, et al. Lattice distortion in a strong and ductile refractory high-entropy alloy. Acta Materialia. 2018;160:158–172. DOI: 10.1016/j.actamat.2018.08.053.
  23. Senkov ON, Senkova SV, Woodward C, Miracle DB. Low-density, refractory multi-principal element alloys of the Cr – Nb – Ti – V – Zr system: microstructure and phase analysis. Acta Materialia. 2013;61(5):1545–1557. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.11.032.
  24. Senkov ON, Wilks GB, Miracle DB, Chuang CP, Liaw PK. Refractory high-entropy alloys. Intermetallics. 2010;18(9):1758–1765. DOI: 10.1016/j.intermet.2010.05.014.
  25. Diao HY, Feng R, Dahmen KA, Liaw PK. Fundamental deformation behavior in high-entropy alloys: an overview. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2017;21(5):252–266. DOI: 10.1016/j.cossms.2017.08.003.
  26. Ye YF, Wang Q, Lu J, Liu CT, Yang Y. High-entropy alloy: challenges and prospects. Materials Today. 2016;19(6):349–362. DOI: 10.1016/j.mattod.2015.11.026.
  27. Birkholz M. Thin film analysis by X-ray scattering. Weinheim: Wiley-VCH; 2005. 378 p.
  28. Nath D, Singh F, Das R. X-ray diffraction analysis by Williamson – Hall, Halder – Wagner and size-strain plot methods of CdSe nanoparticles- a comparative study. Materials Chemistry and Physics. 2020;239:122021. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.122021.
  29. Prevey PS. X-ray diffraction residual stress techniques. Materials Characterization. 1986;10:380–392.
  30. Ziegler JF, Ziegler MD, Biersack JP. SRIM – the stopping and range of ions in matter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2010;268(11–12):1818–1823. DOI: 10.1016/j.nimb.2010.02.091.
  31. Zhang Y, Stocks GM, Jin K, Lu C, Bei H, Sales BC, et al. Influence of chemical disorder on energy dissipation and defect evolution in concentrated solid solution alloys. Nature Communications. 2015;6:8736. DOI: 10.1038/ncomms9736.
  32. Wakai E, Ezawa J, Imamura T, Takenaka T, Tanabe T, Oshima R. Effect of solute atoms on swelling in Ni alloys and pure Ni under He+ ion irradiation. Journal of Nuclear Materials. 2002;307–311(part 1):367–373. DOI: 10.1016/S0022-3115(02)01192-3.
  33. Lu C, Niu L, Chen N, Jin K, Yang T, Xiu P, et al. Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent single-phase alloys. Nature Communications. 2016;7:13564. DOI: 10.1038/ncomms13564.
  34. Ullah MW, Zhang Y, Sellami N, Debelle A, Bei H, Weber WJ. Evolution of irradiation-induced strain in an equiatomic NiFe alloy. Scripta Materialia. 2017;140:35–39. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2017.06.042.
  35. Kiran Kumar NAP, Li C, Leonard KJ, Bei H, Zinkle SJ. Microstructural stability and mechanical behavior of FeNiMnCr high entropy alloy under ion irradiation. Acta Materialia. 2016;113:230–244. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.05.007.
Опубликован
2023-01-30
Ключевые слова: высокоэнтропийные сплавы, ВЭС, многокомпонентные твердые растворы, облучение, радиационные дефекты, ионы криптона, остаточные напряжения
Как цитировать
Углов, В. В., Злоцкий, С. В., Белов, М. М., Рыскулов, А. Е., Иванов, И. А., Курахмедов, А. Е., Мустафин, Д. А., Сапар, Э. Д., & Джин, К. (2023). Структурно-фазовые изменения в концентрированных твердых растворах системы V – Nb – Ta – Ti, облученных ионами криптона. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 14–24. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2023-1-14–24
Выпуск
№ 1 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2023 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).