Особенности повреждаемости поверхностных слоев монокристаллического вольфрама под воздействием мощных импульсных потоков ионов гелия и плазмы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Проведено исследование структурного состояния и микротвердости поверхностного слоя образцов монокристаллического вольфрама после воздействия импульсными потоками ионов He+ и гелиевой плазмы, генерируемыми в установке Плазменный фокус «Вихрь» (ИМЕТ РАН). Параметры облучения: плотность мощности плазмы 108 Вт/см2 и ионов 2·109 Вт/см2 при длительности воздействия плазмы и ионов 100 и 20 нс соответственно; число импульсных воздействий 15; энергия ионов гелия ~100 кэВ; температура плазмы ~1 кэВ. Показано, что в результате пучково-плазменного воздействия в указанном режиме поверхность оплавляется, появляется кристаллографически ориентированная сетка микротрещин. В отличие от межзеренного растрескивания, характерного для поликристаллических образцов, в монокристаллах вольфрама сетка микротрещин образуется на фоне пластического течения по активным плоскостям скольжения под действием термических напряжений, возникающих на стадии охлаждения после кристаллизации расплава. В оплавленном слое формируется мелкоячеистая структура с размером ячеек ~200 нм. Наблюдается образование нераскрывшихся блистеров и кратеров, обусловленное выделением гелия из поверхностных слоев. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что облучение в реализованном режиме, сопровождающееся испарением тонкого поверхностного слоя, способствует уменьшению искажений кристаллической решетки и структурных дефектов технологического характера, возникших в поверхностном слое образцов монокристалла на стадии их механической обработки при подготовке к экспериментам. В результате радиационно-термического расплавления и направленного затвердевания поверхностного слоя вольфрама в нем образуется текстура кристаллизации в направлении, определяемом кристаллографической ориентацией в поверхностном слое образца, подвергшегося облучению, и совпадающем с вектором градиента температуры. Обнаружено незначительное (до 15%) снижение микротвердости в переплавленном поверхностном слое монокристаллов вольфрама, при этом отмечен разброс значений Hμ по площади облученной поверхности.

Об авторах

И. В. Боровицкая

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: symp@imet.ac.ru
Москва

В. Н. Пименов

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

С. А. Масляев

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

А. С. Демин

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

Е. В. Морозов

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

А. Б. Михайлова

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

В. Н. Серебряный

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

А. С. Колянова

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

Г. Г. Бондаренко

Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"

Email: bondarenko_gg@rambler.ru
Москва

А. И. Гайдар

Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий

Email: niipmt@mail.ru
Москва

Е. В. Матвеев

Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий

Email: niipmt@mail.ru
Москва

И. П. Сасиновская

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН

Email: symp@imet.ac.ru
Москва

Список литературы

  1. Pitts, R.A. A full tungsten divertor for ITER : Physics issues and design status / R.A. Pitts, S. Carpentier, F. Escourbiac, T. Hirai, V. Komarov, S. Lisgo, A.S. Kukushkin, A. Loarte, M. Merola, A. Sashala Naik, R. Mitteau, M. Sugihara, B. Bazylev, P.C. Stangeby // J. Nuclear Mater. 2013. V.438. P.S48–S56.
  2. Diez, M. Overview of plasma-tungsten surfaces interactions on the divertor test sector in WEST during the C3 and C4 campaigns / M. Diez, M. Balden, S. Brezinsek, Y. Corre, N. Fedorczak, M. Firdaouss, E. Fortuna, J. Gaspar, J.P. Gunn, A. Hakola, T. Loarer, C. Martin, M. Mayer, P. Reilhac, M. Richou, E. Tsitrone, T. Vuoriheimo // Nuclear Mater. Energy. 2023. V.34. Art.101399.
  3. Gonderman, S. Effect of dual ion beam irradiation (helium and deuterium) on tungsten-tantalum alloys under fusion relevant conditions / S. Gonderman, J.K. Tripathi, J. Novakowski, T. Sizyuk, A. Hassanein // Nuclear Mater. Energy. 2017. V.12(C). P.210–230.
  4. Демин, А.С. Особенности применения установок Плазменный фокус в радиационном и космическом материаловедении / А.С. Демин, Е.В. Морозов, Н.А. Епифанов, С.А. Масляев, В.Н. Пименов // Перспективные материалы. 2024. №9. C.5–17. – (Demin, A.S. Features of the use of Plasma focus installations in radiation and space materials science / A.S. Demin, E.V. Morozov, N.A. Epifanov, S.A. Maslyaev, V.N. Pimenov // Perspective Mater. 2024. №9. P.5–17.)
  5. Seyedhabashi, M.M. Study of surface damage and hydrogen distribution in irradiated tungsten by protons in plasma focus device / M.M. Seyedhabashi, S. Shafiei, M.A. Tafreshi, B. Shirani Bidabadi // Vacuum. 2020. V.175. Art.109249.
  6. Moldabekov, Zh.M. Investigation of radiation effect on tungsten and molybdenum materials / Zh.M. Moldabekov, A.M. Zhukeshov, A.T. Gabdullina, A.U. Amrenova // Intern. J. Mathematics and Physics. 2023. V.14. №2. P.56–63.
  7. Roshan, M.V. High energy ion beams from the plasma focus / M.V. Roshan, N.V. Roshan, Seong Ling Yap // Applied Radiation and Isotopes. 2022. V.185. Art.110224.
  8. Roshan, M.V. High energy ions and energetic plasma irradiation effects on aluminum in a Filippov type plasma focus / M.V. Roshan, R.S. Rawat, A.R. Babazadeh, M. Emami, S.M. Sadat Kiai, R. Verma, J.J. Lin, A.R. Talebitaher, P. Lee, S.V. Springham // Applied Surface Sci. 2008. V.255. P.2461–2465.
  9. 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. C.75–83. – (Gribkov, V.A.The Vikhr Plasma Focus device for diagnosing the radiation-thermal resistance of materials intended for thermonuclear energy and aerospace engineering / V.A. Gribkov, I.V. Borovitskaya, A.S. Demin, E.V. Morozov, S.A. Maslyaev, V.N. Pimenov, A.V. Golikov, A.K. Dulatov, G.G. Bondarenko, A.I. Gaydar // Instruments and Experimental Techniques. 2020. №1. P.68–76.)
  10. 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. Диагностика материалов. 2019. Т.85. №8. C.29–36. – (Gribkov, V.A. Investigation of damage to materials using the Vikhr Plasma Focus device / V.A. Gribkov, I.V. Borovitskaya, A.S. Demin, S.A. Maslyaev, E.V. Morozov, V.N. Pimenov, G.G. Bondarenko, A.I. Gaidar // Indust. Lab. Diagnostics of Mater. 2019. V. 85. №8. P.29–36.)
  11. Бородкина, М.М. Рентгенографический анализ текстуры металлов и сплавов / М.М. Бородкина, Э.Н. Спектор. – М. : Металлургия, 1981. 272 с. – (Borodkina, M.M. Radiographic analysis of the texture of metals and alloys / M.M. Borodkina, E.N. Spector. – M. : Metallurgy, 1981. 272 p.).
  12. Altomare, A. QUALX2.0 : a qualitative phase analysis software using the freely available database POW_COD / A. Altomare, N. Corriero, C. Cuocci, A. Falcicchio, A. Moliterni, R. Rizzi // J. Appl. Cryst. 2015. V.48. P.598–603.
  13. Yovanovich, M. Micro and macro hardness measurements, correlations, and contact models. 44th AIAA aerospace sciences meeting and exhibit / M. Yovanovich // 2006. V.979. P.1–28. https://doi.org/10.2514/6.2006-979
  14. Ram Niranjana. Surface modifications of fusion reactor relevant materials on exposure to fusion grade plasma in plasma focus device / Ram Niranjana, R.K. Rout, R. Srivastava, Y. Chakravarthy, P. Mishra, T.C. Kaushik, Satish C. Gupta // Applied Surface Sci. 2015. V.355. P.989–998.
  15. Морозов, Е.В. Эволюция состояния поверхности вольфрама при воздействии экстремальных потоков энергии в установках Плазменный фокус / Е.В. Морозов, С.А. Масляев, В.Н. Пименов, В.А. Грибков, Е.В. Демина, И.П. Сасиновская, В.П. Сиротинкин, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар // Перспективнае материалы. 2015. №10. C.32–45. – (Morozov, E.V. Evolution of the state of the tungsten surface under the influence of extreme energy fluxes in Plasma focus installations / E.V. Morozov, S.A. Maslyaev, V.N. Pimenov, V.A. Gribkov, E.V. Demina, I.P. Sasinovskaya, V.P. Sirotinkin, G.G. Bondarenko, A.I. Gaidar // Perspective Mater. 2015. №10. C.32–45.)
  16. Боровицкая, И.В. Изменение структуры и микротвердости тантала в условиях импульсных пучково-плазменных воздействий разной интенсивности / И.В. Боровицкая, В.Н. Пименов, С.А. Масляев, Е.В. Демина, А.С. Демин, Е.В. Морозов, Н.А. Епифанов, А.Б. Михайлова, С.В. Латышев, Г.Г. Бондаренко, Е.В. Матвеев, А.И. Гайдар // Металлы. 2024. №3. C.82–93. – (Borovitskaya, I.V. Changes in the structure and microhardness of tantalum under conditions of pulsed beam-plasma effects of varying intensity / I.V. Borovitskaya, V.N. Pimenov, S.A. Maslyaev, E.V. Demina, A.S. Demin, E.V. Morozov, N.A. Epifanov, A.B. Mikhailova, S.V. Latyshev, G.G. Bondarenko, E.V. Matveev, A.I. Gaidar // Russian Metallurgy. 2024. №3. P.82–93.)
  17. Боровицкая, И.В. Повреждение поверхностного слоя вольфрама при облучении стационарными ионными и импульсными пучково-плазменными потоками гелия / И.В. Боровицкая, В.Н. Пименов, С.Н. Коршунов, А.Н. Мансурова, С.А. Масляев, А.С. Демин, Е.В. Морозов, Н.А. Епифанов, А.Б. Михайлова, С.В. Латышев, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар, Е.В. Матвеев, И.С. Монахов // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2024. Т.47. №3. C.79–92. – (Borovitskaya, I.V. Damage to the surface layer of tungsten during irradiation by stationary ion and pulsed beam-plasma flows of helium / I.V. Borovitskaya, V.N. Pimenov, S.N. Korshunov, A.N. Mansurova, S.A. Maslyaev, A.S. Demin, E.V. Morozov, N.A. Epifanov, A.B. Mikhailova, S.V. Latyshev, G.G. Bondarenko, A.I. Gaidar, E.V. Matveev, I.S. Monakhov // Problems of Atomic Sci. Tech. Ser. Termonuclear Fusion. 2024. V.47. №3. P.79–92.)
  18. Боровицкая, И.В. Влияние импульсных пучково-плазмнных 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. C.34–42. – (Borovitskaya, I.V. Effect of pulsed plasma beams on the structure and mechanical properties of the surface layer in an Inconel 718 alloy / I.V. Borovitskaya, A.S. Demin, O.A. Komolova, S.V. Latyshev, S.A. Maslyaev, A.B. Mikhailova, I.S. Monakhov, E.V. Morozov, V.N. Pimenov, G.G. Bondarenko, A.I. Gaidar, I.A. Logachev, E.V. Matveev // Russian Metallurgy (Metally). 2023. №7. P.891–898.)
  19. Боровицкая, И.В. Структурные изменения поверхности ванадия под воздействием импульсных потоков высокотемпературной дейтериевой плазмы и ионов дейтерия / И.В. Боровицкая, В.Н. Пименов, В.А. Грибков, М. Падух, Г.Г. Бондаренко, А.И. Гайдар, В.В. Парамонова, Е.В. Морозов // Металлы. 2017. №6. C.30–37. – (Borovitskaya, I.V. Structural changes in the vanadium sample surface induced by pulsed high-temperature deuterium plasma and deuterium ion fluxes / I.V. Borovitskaya, V.N. Pimenov, V.A. Gribkov, M. Padukh, G.G. Bondarenko, A.I. Gaidar, V.V. Paramonova, E.V. Morozov // Russian Metallurgy (Metally). 2017. №11. P.928–935.)
  20. 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. C.54–64. – (Borovitskaya, I.V. Effect of pulsed nitrogen plasma and nitrogen ion fluxes on the structure and mechanical properties of vanadium / I.V. Borovitskaya, V.Ya. Nikulin, G.G. Bondarenko, A.B. Mikhailova, P.V. Silin, A.I. Gaidar, V.V. Paramonova, E.N. Peregudova // Russian Metallurgy (Metally). 2018. №3. P.266–275.)
  21. Бондаренко, Г.Г. Основы материаловедения / Г.Г. Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В. Рыбалко – М. : Изд-во БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. 760 с. – (Bondarenko, G.G. Fundamentals of materials science / G.G. Bondarenko, T.A. Kabanova, V.V. Rybalko – M. : BINOM Publishing House. Laboratory of Knowledge. 2014. 760 p.).
  22. Миркин, Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов / Л.И. Миркин ; под ред. Я.С. Уманского. – M. : Гос. Изд-во физико-математических литературы, 1961. 862 с. – (Mirkin, L.I. Handbook of X-ray diffraction analysis of polycrystals / L.I. Mirkin ; ed. by Ya.S. Umansky – M. : State Publishing House of Phys.-Math. Literature, 1961. 862 p.)

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025