О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов

Приведены результаты исследования влияния облучения ионами Ar⁺ на коррозию урана и циркониевого сплава Zr + 1%Nb. Энергия ионов аргона составляла 5 ÷ 25 кэВ. Представлены данные по зависимости коррозионной стойкости (КС) материалов от параметров ионного облучения. Показано, что с ростом дозы и...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Физическая инженерия поверхности
Дата:	2010
Автори:	Белоус, В.А., Носов, Г.И., Азаренков, Н.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98876
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов / В.А. Белоус, Г.И. Носов, Н.А. Азаренков // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 161–168. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859684048214949888
author	Белоус, В.А. Носов, Г.И. Азаренков, Н.А.
author_facet	Белоус, В.А. Носов, Г.И. Азаренков, Н.А.
citation_txt	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов / В.А. Белоус, Г.И. Носов, Н.А. Азаренков // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 161–168. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Физическая инженерия поверхности
description	Приведены результаты исследования влияния облучения ионами Ar⁺ на коррозию урана и циркониевого сплава Zr + 1%Nb. Энергия ионов аргона составляла 5 ÷ 25 кэВ. Представлены данные по зависимости коррозионной стойкости (КС) материалов от параметров ионного облучения. Показано, что с ростом дозы ионного облучения КС исследуемых материалов возрастает, достигает максимума и с превышением критического значения дозы снижается. Замедление коррозии обусловлено образованием в поверхностном слое барьера из атомов аргона, снижающего скорость сорбции химически активных газов поверхностью металла, а также возникновением газовых пузырей в облученной поверхности. Критическая доза облучения ионами аргона обусловлена возникновением блистеров – разрушением поверхности при вскрытии ранее образовавшихся газовых пузырей в облученной поверхности, выходом из поверхности накопленного при имплантации аргона. Наведено результати дослідження впливу опромінення іонами Ar⁺ на корозію урану й цирконієвого сплаву Zr + 1%Nb. Енергія іонів аргону становила 5 ÷ 25 кеВ. Представлено дані по залежності корозійної стійкості (КС) матеріалів від параметрів іонного опромінення. Показано, що з ростом дози іонного опромінення КС досліджуваних матеріалів зростає, досягає максимуму й з перевищенням критичного значення дози знижується. Уповільнення корозії обумовлене утворенням у поверхневому шарі бар’єра з атомів аргону, що знижує швидкість сорбції хімічно активних газів поверхнею металу, а також виникненням газових пузирів в опроміненій поверхні. Критична доза опромінення іонами аргону обумовлена виникненням блістерів – руйнуванням поверхні при розкритті газових пузирів, що раніше утворилися, в опроміненій поверхні, виходом з поверхні накопиченого при імплантації аргону. The results of research of the irradiation effect by Ar⁺ ions on the corrosion resistance of uranium and alloy Zr + 1%Nb were adduced. The energy of Ar+ ions was 5 ÷ 25 keV. The data on dependence of a materials corrosion firmness (CF) from operation factors of ion irradiation were presented. CF of the under consideration materials increases with growth of the doze of ion irradiation, reaches maximum and is reduced with exceeding of the critical value of doze. The retardation of corrosion is caused by formation of the barrier from the argon atoms in blanket, which decreases the sorption speed of the chemically active gases by surface of metal, and as well by beginnings of the gas bubbles in irradiated surface. The critical dose of irradiation is caused by beginnings of the blisters – by destruction of surface at revelation of earlier educated gas bubbles in irradiated surface, by outcrop from surface of argon, accumulated at ion implantation.
first_indexed	2025-11-30T21:49:24Z
format	Article
fulltext	161 ВВЕДЕНИЕ Цирконий и его сплавы находят широкое при- менение в качестве конструкционных мате- риалов в атомной технике. При этом жесткие условия эксплуатации обуславливают вы- сокую степень коррозионного износа данных материалов [1]. Уран является одним из наи- более важных материалов в ядерной энерге- тике и давно привлекает интерес исследова- телей [2 – 4]. Высокая химическая актив- ность, высокая скорость коррозии урана во влажной атмосфере обуславливают также УДК 621.7.9 О ВЛИЯНИИ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ Ar+ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В.А. Белоус1, Г.И. Носов1, Н.А. Азаренков2 1Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ “ХФТИ” Украина 2Харьковский национальный университет имени В.Н. Карзина Украина Поступила в редакцию 24.06.2010 Приведены результаты исследования влияния облучения ионами Ar+ на коррозию урана и циркониевого сплава Zr + 1%Nb. Энергия ионов аргона составляла 5 ÷ 25 кэВ. Представлены данные по зависимости коррозионной стойкости (КС) материалов от параметров ионного облучения. Показано, что с ростом дозы ионного облучения КС исследуемых материалов возрастает, достигает максимума и с превышением критического значения дозы снижается. Замедление коррозии обусловлено образованием в поверхностном слое барьера из атомов аргона, снижающего скорость сорбции химически активных газов поверхностью металла, а также возникновением газовых пузырей в облученной поверхности. Критическая доза облучения ионами аргона обусловлена возникновением блистеров – разрушением поверхности при вскрытии ранее образовавшихся газовых пузырей в облученной поверхности, выходом из поверхности накопленного при имплантации аргона. Ключевые слова: коррозия урана, ионное облучение, скорость сорбции, критическая доза. Наведено результати дослідження впливу опромінення іонами Ar+ на корозію урану й цирконієвого сплаву Zr + 1%Nb. Енергія іонів аргону становила 5 ÷ 25 кеВ. Представлено дані по залежності корозійної стійкості (КС) матеріалів від параметрів іонного опромінення. Показано, що з ростом дози іонного опромінення КС досліджуваних матеріалів зростає, досягає максимуму й з перевищенням критичного значення дози знижується. Уповільнення корозії обумовлене утворенням у поверхневому шарі бар’єра з атомів аргону, що знижує швидкість сорбції хімічно активних газів поверхнею металу, а також виникненням газових пузирів в опроміненій поверхні. Критична доза опромінення іонами аргону обумовлена виникненням блістерів – руйнуванням поверхні при розкритті газових пузирів, що раніше утворилися, в опроміненій поверхні, виходом з поверхні накопиченого при імплантації аргону. Ключові слова: корозія урану, іонне опромінення, швидкість сорбції, критична доза. The results of research of the irradiation effect by Ar+ ions on the corrosion resistance of uranium and alloy Zr + 1%Nb were adduced. The energy of Ar+ ions was 5 ÷ 25 keV. The data on dependence of a materials corrosion firmness (CF) from operation factors of ion irradiation were presented. CF of the under consideration materials increases with growth of the doze of ion irradiation, reaches maximum and is reduced with exceeding of the critical value of doze. The retardation of corrosion is caused by formation of the barrier from the argon atoms in blanket, which decreases the sorption speed of the chemically active gases by surface of metal, and as well by beginnings of the gas bubbles in irradiated surface. The critical dose of irradiation is caused by beginnings of the blisters – by destruction of surface at revelation of earlier educated gas bubbles in irradiated surface, by outcrop from surface of argon, accumulated at ion implantation. Keywords: corrosion of uranium, ion irradiation, sorption rate, the critical dose.  В.А. Белоус, Г.И. Носов, Н.А. Азаренков, 2010 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2162 интерес к урану для использования его в ка- честве модельного материала при изучении процесса коррозии и оценки эффективности различных методов антикоррозионной защи- ты конструкционных материалов. Среди спо- собов повышения коррозионной стойкости урана, циркониевых и других сплавов все бо- лее широкое применение находят методы ионной имплантации, в частности, имплан- тация ионов инертных газов [5 – 7]. Однако, опубликованных данных явно не- достаточно для прогнозирования коррозион- ной стойкости защищаемых материалов и оп- ределения основных причин наблюдаемого замедления коррозии, что и обусловливает необходимость проведения дальнейших ис- следований. В данной работе приведены результаты ис- следования влияния ионной имплантации ар- гона на коррозионную стойкость (КС) сплава Zr + 1%Nb и коррозионное поведение урана во влажной атмосфере. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Эксперименты по модификации поверхности металлов и сплавов имплантацией ионами Ar+ были проведены на вакуумной установке, оснащенной термокатодным источником га- зовой плазмы [8], высоковольтной системой доускорения ионов, системой очистки и на- пуска аргона. Схематическое устройство ус- тановки с источником аргоновой плазмы по- казано на рис. 1. Газовая плазма генерируется дуговым раз- рядом низкого давления в аргоне между тер- мокатодом 1 и цилиндрическим анодом 2 в скрещенных электрическом и магнитном по- лях, распространяется в вакуумной камере, охватывает подложку с образцами. При по- даче на подложкодержатель отрицательного потенциала поверхность расположенных на нем образцов бомбардируется ионами аргона, экстрагируемыми из плазмы дугового разря- да. В такой системе управление энергией ионов газа производится изменением вели- чины отрицательного по отношению к термо- катоду потенциала подложки, что обеспечи- вает независимость процессов образования плазмы и облучения поверхности изделий ионами газа. С целью повышения однород- ности обработки образцов и изделий подлож- кодержатель вращался вокруг оси. Вакуумная камера в процессе откачки прогревалась го- рячей водой. Используемый аргон подвер- гался предварительной очистке от кислорода и паров масла. Газ подавался в камеру через объем сорбционного насоса, что позволяло дополнительно его очищать от примесей. Предельный вакуум в камере при откачке достигал 10–4 Па. Образцы из сплавов циркония и урана вы- полнялись в виде торов с наружным диамет- ром 12 мм, диаметром отверстия 4 мм и тол- щиной 3мм. В процессе имплантации они об- лучались плазмой со всех сторон. Все образ- цы перед имплантацией проходили операцию кратковременной очистки поверхности иона- ми аргона с энергией ∼ 200 эВ для выравни- вания условий состояния поверхности для всех образцов. Температура образцов в ходе ионного облучения для урана не превышала 300 °С, а для циркониевого сплава не превы- шала 400 °С. Для оценки КС исследуемых образцов проводили ускоренные коррозионные ис- пытания во влажной атмосфере (в парах дис- тиллированной воды при температуре +60 оС и влажности атмосферы 98%). В ходе кор- розионных испытаний исследуемые образцы периодически взвешивались на аналитичес- ких весах типа ВЛР-200. Масса облученных образцов сравнивалась с массой необлучен- ных образцов-свидетелей, производилась оценка абсолютных значений привесов об- разцов. Цикл ускоренных испытаний длился 3500 часа. Рис. 1. Схематическое устройство установки с источ- ником газовой плазмы. 1 – вольфрамовый катод; 2 – анод; 3 – катушки соленоида; 4 – подложкодер- жатель; Uа, Uн, и Uп – источники питания анода, накала и подложки соответственно. О ВЛИЯНИИ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ Ar+ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 163 Кроме того, для количественной оценки величины эффекта изменения КС исследуе- мых образцов использовался критерий повы- шения КС [10]: R = (∆m1 – ∆m2)/∆m2100%, (1) где ∆m1 – привес массы облученных образцов в процессе коррозионных испытаний; ∆m2 – привес массы необлученных образцов. Пространственное распределение имплан- тированного Ar в образцах определялось на ускорителе ЭСУ-6 с помощью метода ядерно- физических реакций при облучении их по- верхности протонами. Использовался резо- нанс реакции 40Ar(p, γ)41 K. Топография подвергнутой облучению по- верхности изучалась с помощью растрового электронного микроскопа ЭМ-200. Термодесорбция аргона из облученных образцов осуществлялась с использованием масс-спектрометра ИПДО-1 с чувствитель- ностью 1,3310–9 Па. Нагрев образцов от ком- натной температуры до 1200 оС осуществ- лялся с помощью нагревателя, смонтирован- ного на кварцевом тигле. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА КС УРАНА Увеличение коррозионной стойкости метал- лов и сплавов после облучения ионами инерт- ных газов наблюдалось многими исследова- телями [5-10]. Однако, несмотря на большую научную и практическую значимость данного явления, его механизм до сих пор остается не выясненным. Нами исследовано влияние имплантации ионов инертных газов (аргона, криптона, ксе- нона) на коррозионную стойкость урана. Ис- следуемые образцы из естественного урана были облучены ионами Ar+ с энергией ионов от 5 до 25 кэВ. Облученные образцы и необлученные об- разцы-свидетели были подвергнуты ускорен- ным коррозионным испытаниям. Результаты этих испытаний показали, что все облучен- ные образцы имели меньший по сравнению с необлученными образцами привес. Резуль- таты коррозионных испытаний облученных ионами аргона образцов при различных энер- гиях ионов приведены на рис. 2. Из рис. 2 следует, что при энергии ионов 5 кэВ замедление скорости коррозии незна- чительно. Увеличение энергии ионов от 5 до 10 кэВ замедляет скорость коррозии на про- тяжении 1000 часов испытаний, а увеличение энергии ионов до 15 кэВ приводит к за- медлению скорости коррозии в течение всего времени испытаний. Наибольший эффект уменьшения скоро- сти коррозии (в 2,5 раза) по сравнению с не- облученными образцами-свидетелями в на- ших условиях получен для энергии ионов ар- гона 25 кэВ. Кроме облучения ионами аргона образцы подвергали также воздействию ионов более тяжелых инертных газов: криптона и ксено- на. При этом эффект повышения коррозион- ной стойкости оценивали также с помощью коэффициента R [6]. На рис. 3 представлены зависимости вели- чины коэффициента R для поверхности ура- на, облученной ионами аргона, криптона, ксе- нона при энергии ионов 15 кэВ от дозы ион- ного облучения Di. Рис. 2. Зависимость увеличения массы урановых необ- лученных образцов-свидетелей (1) и образцов, облу- ченных ионами аргона с дозой облучения 50D0, при энергиях ионов Еi = 5 кэВ (2), 10 кэВ (3), 15 кэВ (4) и 25 кэВ (5) от длительности ускоренных коррозионных испытаний. D0 – минимальная доза облучения U, при которой наблюдается эффект изменения КС. Рис. 3. Зависимость коэффициента R от дозы ионного облучения [6]. 1 – Ar+; 2 – Xe+; 3 – Kr+. Еi = 15 кэВ. В.А. БЕЛОУС, Г.И. НОСОВ, Н.А. АЗАРЕНКОВ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2164 Из рис. 3 следует, что зависимость коэф- фициента R от дозы ионного облучения имеет экстремальный характер. R растет с увеличе- нием дозы облучения до 5D0. Увеличение до- зы облучения до 20D0 и далее до 50D0 при- водит к уменьшению коэффициента R. Заметного влияния ионов тяжелых инерт- ных газов (Kr+, Xe+) на повышение коррози- онной стойкости урана не обнаружено. Также не обнаружено влияние плотности тока ионов аргона в диапазоне его значений от 0,3 до 1,2 мА/cм2 на КС урана. Длительные коррозионные испытания об- лученных урановых образцов проводили в ат- мосфере лаборатории при комнатной темпе- ратуре. На воздухе, как известно [11], уран подвергается быстрому окислению. Скорость окисления урана в сухом воздухе при комнат- ной температуре составляет несколько мик- рон в год. Образцы, облученные ионами ар- гона с энергией 10 и 15 кэВ, сохранили метал- лический блеск и не имели следов окисления (пожелтения) в течение всего срока испыта- ний (25000 часов), а образцы, облученные при энергии ионов 5 кэВ, не изменяли внешний вид и вес только в течение 5000 часов. Результаты таких испытаний приведены на рис. 4. Наличие отрицательного привеса связано с тем, что окисление урана сопровождается выходом из его объема аргона, внедренного как на стадии ионной очистки, так и в про- цессе его имплантации. Отметим, что харак- тер влияния энергии ионов на коррозионную стойкость облученных образцов в атмосфере лаборатории при комнатной температуре и во влажной атмосфере при +60 °С аналогичен, однако скорость окисления урана во влажной атмосфере значительно выше, чем в атмо- сфере лаборатории. АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ УРАНА ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА Для оценки количества имплантированного в уран Ar и определения профиля его распре- деления в материале образцы были облучены при энергии ионов Ar+ ∼ 10 кэВ. Дозы облу- чения составляли 9D0 и 27D0. С помощью ме- тода ядерно-физических реакций были полу- чены показанные на рис. 5 профили распре- деления имплантированного в поверхность U аргона. Установлено, что при энергии ионов 10кэВ профили распределения аргона в поверхнос- ти урана имели максимумы на глубине 15 нм и 19 нм для доз облучения 9D0 и 27D0 соот- ветственно. Основное количество аргона со- держится в слое урана толщиной около 40 нм. Необходимо отметить, что согласно оценоч- ным расчетам толщина слоя урана, окислен- ного за время коррозионных испытаний, дол- жна на два порядка превышать толщину слоя, содержащего аргон до начала окисления. Это означает, что аргон, находящийся в облучен- ной поверхности, на глубине до 40 нм, оказы- вает существенное влияние на процессы оки- сления, проходящие на гораздо больших глу- бинах (до 1 – 2 мкм). Рис. 4. Зависимость привеса урановых образцов-сви- детелей (1) и образцов, облученных ионами Ar+ с дозой облучения Di = 20D0 от длительности коррозионных испытаний в атмосфере лаборатории. 2 – Ei = 5 кэВ; 3 – 10 кэВ; 4 – 15 кэВ. Рис. 5. Профили распределения имплантированного аргона в уране, полученные расчетным путем (1, 3) и экспериментальные (2, 4). 1, 2 – Di = 27D0, 3, 4 – Di = 9D0. О ВЛИЯНИИ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ Ar+ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 165 На рис. 6 показано влияние облучения ионами Ar+ на микроструктуру поверхности урановых образцов. На исходной и облученной поверхностях наблюдаются дислокации, двойники и пло- скости скольжения, практически всегда при- сутствующие в уране после деформации при низких температурах. Это связано с чрезвы- чайно высокой анизотропией термического расширения урана [12]. Облучение урана ионами аргона приводит к распылению по- верхности урана, выявлению структуры по- верхности и к увеличению числа двойников и плоскостей скольжения. Представлялось интересным оценить воз- можность замедления коррозионных процес- сов с помощью ионной имплантации корро- зионно-стойких материалов – например цир- кониевых сплавов. ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА Zr + 1%Nb Авторами работы [6] наблюдалось замедле- ние скорости коррозии сплава Zr + 1%Nb пос- ле облучения поверхности сплава ионами He+ с энергией ионов 150 кэВ. Интересным пред- ставлялось оценить повышение КС Zr сплава при облучении ионами инертного газа (арго- на) при меньших энергиях ионов. Такое сни- жение энергии ионов важно с точки зрения практической реализации метода модифи- кации поверхности. Нами проведено изучение влияния дозы облучения ионами аргона на коррозионную стойкость циркониевого сплава Zr + 1%Nb. Эффект замедления коррозии обнаруживался во всем исследуемом интервале доз облуче- ния. Максимальное повышение коррозион- ной стойкости облученного ионами аргона сплава Zr + 1%Nb наблюдалось для дозы об- лучения 8D0. На рис. 7 показана зависимость коэффи- циента R (эффекта повышения коррозионной стойкости) при энергии ионов аргона 25 кэВ. Как и для U коэффициент R растет с уве- личением дозы облучения. После дозы Di = 8D0. увеличение дозы ионного облучения приводит к снижению коэффициента R. Облучение металлов ионами инертных га- зов сопровождается накоплением инертного газа в приповерхностном слое, что оказывает а) б) Рис. 6. Микроструктура поверхности образцов из ес- тественного урана после облучения ионами Ar+ с энер- гией 6 кэВ. Исходная поверхность – а); поверхность после облучения Di = 2D0 – б). × × × × ×400. Рис. 7. Зависимость коэффициента повышения кор- розионной стойкости (R) образцов из сплава Zr+ 1%Nb после имплантации ионов аргона от дозы ионного об- лучения (Di). В.А. БЕЛОУС, Г.И. НОСОВ, Н.А. АЗАРЕНКОВ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2166 влияние на физико-химические свойства по- верхности. Эксперименты по изучению выхо- да имплантированного в исследуемые об- разцы аргона в зависимости от температуры образцов проводились на образцах из цирко- ниевого сплава Zr + 1%Nb по окончанию их коррозионных испытаний [13]. Из резуль- татов экспериментов следует, что вследствие ионного облучения в поверхности образцов из сплава Zr + 1%Nb накапливается заметное количество аргона. Десорбция аргона из об- лученной поверхности происходит при на- греве образцов. Зависимость выхода имплан- тированного аргона от температуры нагрева образцов приведена на рис. 8. Как видно из рис. 8, выделение аргона из неимплантированного образца, подвергнуто- го только низкоэнергетической очистке ионами аргона, становится заметным при температуре образца ∼ 200 °С. Для имплантированных образцов вы- деление аргона становится явно выраженным лишь при Т ≥ 400 °С. При более низких тем- пературах выделение аргона из имплантиро- ванного образца в пределах чувствитель- ности детектора масс-спектрометра не обна- руживается. С ростом температуры образца до 700 °С выход аргона увеличивается. Мак- симальное выделение аргона в наших усло- виях происходило при температуре 1100 °С. Эти данные хорошо согласуются с резуль- татами работы [6]. ИЗМЕНЕНИЕ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА Zr + 1%Nb ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ БОМБАРДИ- РОВКИ ИОНАМИ Ar+ Анализ топографии поверхности, изменяю- щейся под воздействием бомбардировки ионами аргона, представляет особый интерес в связи с наличием взаимосвязи данного фак- тора с коррозионной стойкостью металлов [14, 15]. На рис. 9 представлены микрофотографии поверхности образцов из сплава Zr + 1%Nb исходного и облученного ионами аргона. Вследствие интенсивного распыления ма- териала облучаемых образцов происходит из- менение микроструктуры и рельефа поверх- ности: растравливание поверхности, появле- ние бороздок, ямок, отдельных кратеров. При больших дозах облучения (более 20D0) на по- верхности образцов обнаруживаются отдель- ные блистеры (отшелушивание участков по- верхности вследствие достижения критичес- кого давления в пузырьках газа, накапливаю- щегося в результате ионной бомбардировки). Размеры блистеров составляют величину ∼ 1 мкм. Распределение блистеров по поверх- ности образцов отличается существенной не- однородностью. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Анализ литературных данных по импланта- ции ионов инертных газов в металлы не вы- явил данных о влиянии инертных газов на процессы электрохимической коррозии. Отсутствие такого влияния некоторые авторы [16, 17] объясняют тем, что инертные газы не образуют химических соединений, влия- ющих на кинетику электрохимических про- цессов. Как отмечалось ранее, среди гипотез, объясняющих замедление коррозии металлов после имплантации ионов инертных газов, наибольший интерес исследователей привле- кает допущение об определяющем влиянии на процесс коррозии атомов инертных газов, внедренных в поверхностный слой металла. Наблюдаемое при этом замедление коррозии обусловлено образованием в поверхностном слое облученного металла барьера из атомов инертного газа, снижающего скорость сорб- ции химически активных газов поверхнос- тью металла и снижением скорости диффу- зии кислорода в металл [18], а также возник- Рис. 8. Зависимость выхода аргона из облученных об- разцов сплава Zr + 1%Nb от температуры. 1 - образцы только после ионной очистки; 2 – образцы после ион- ной очистки, ионной имплантации и коррозионных испытаний. О ВЛИЯНИИ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ Ar+ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 167 новением газовых пузырей в облученной по- верхности. Такие пузыри могут играть роль диффузионного барьера для вакансий облу- чаемого металла на поверхности раздела ме- талл-окисел, что ведет к торможению про- цесса окисления. Эта гипотеза объясняет причину замедле- ния коррозии металлов после ионного об- лучения. Однако, она не объясняет наличие экспериментально обнаруженной предельной дозы облучения ионами инертного газа для максимального повышения коррозионной стойкости металлов и сплавов и причину сни- жения КС после превышения предельной до- зы. Как показали результаты коррозионных испытаний, рост дозы облучения от D0 до 10D0 приводил к замедлению коррозии как урана, так и циркониевого сплава. Наиболь- ший эффект замедления коррозии наблюдал- ся при дозе (8 ÷ 10)D0. Дальнейший рост дозы облучения приводил к повышению скорости коррозии. На наш взгляд предельная доза об- лучения ионами инертных газов обусловлена возникновением блистеров – разрушением поверхности при вскрытии ранее образовав- шихся газовых пузырей в облученном мате- риале. Появление блистеринга более харак- терно для имплантации легких газов (водо- рода, гелия) в условиях, когда глубина про- никновения ионов превышает толщину рас- пыляемого ионами слоя, и доза превышает ее некоторое критическое значение. В случае легких ионов это условие выполняется при всех энергиях. Для тяжелых инертных газов (например, аргона) блистеринг возможен при энергиях ионов более 10 кэВ [18, 19]. Однако, при облучении материалов с малыми коэф- фициентами распыления (например, при об- лучении тяжелых металлов) блистеринг воз- можен и при энергиях ≤ 101 кэВ. В работе Ва- силиу и Теодореску [2] блистеринг наблюда- ли в пленках α-U при бомбардировке их иона- ми аргона с энергией 15 и 25 кэВ. Блистеринг обнаруживали, начиная с критической дозы ∼ 1017 ион/см2. Размеры и плотность концент- рации блистеров возрастали с ростом дозы облучения и температуры поверхности. В на- ших экспериментах блистеры на облученной ионами аргона с энергией 25 кэВ поверхности сплава Zr + 1%Nb наблюдали при дозе 40D0. Изменение топографии поверхности (разру- шение вследствие блистеринга) приводит к высвобождению внедренного при меньших дозах облучения инертного газа. Установ- лено, что критическая доза облучения при имплантации ионов Ar+ составляет величину ∼ (8 ÷ 10)D0. Схему изменений в поверхности металла после облучения ионами аргона с энергией 25 кэВ можно представить следующим об- разом. При малых дозах облучения происходит насыщение аргоном поверхности металла, что приводит к образованию барьера для диф- фузии кислорода в металл и к торможению процесса окисления. С ростом дозы ионного облучения, как по- казано в работе [18], аргон собирается в виде газовых пузырьков размером d < 50 ÷ 100 D. С дальнейшим ростом дозы облучения и тем- пературы образцов начинается объединение мелких пузырьков в более крупные пузыри и рост давления в пузырях. Вследствие распы- ления поверхности, сопутствующего ионной а) б) Рис. 9. Топографии поверхности сплава Zr + 1%Nb: а) – исходная; б) – после облучения ионами аргона Ei = 25 кэВ, Di = 40D0. ×20000. В.А. БЕЛОУС, Г.И. НОСОВ, Н.А. АЗАРЕНКОВ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 2, vol. 8, No. 2168 имплантации, поверхность над пузырями утончается, и над ними на поверхности воз- никают купола. При превышении предельной дозы ионного облучения происходит вскры- тие газовых пузырей (разрушение поверх- ности) и выход инертного газа из пузырей. Появление оголенных участков поверхности приводит к их окислению и к ухудшению кор- розионной стойкости металла. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Результаты экспериментов показали, что облучение ионами аргона приводит к су- щественному замедлению коррозии иссле- дуемых материалов во влажной атмосфере. 2. Зависимость коррозионной стойкости от дозы ионного облучения имеет экстрема- льный характер. С ростом дозы облучения до критической дозы коррозионная стойкость облученных материалов растет, а с превыше- нием критической дозы начинает снижаться. 3. Предложено объяснение экстремаль- ной зависимости КС от дозы ионного облуче- ния – возникновение на облучаемой поверх- ности блистеров и разрушение поверхности вследствие длительной бомбардировки иона- ми аргона и вскрытие ранее образованных газовых пузырей. ЛИТЕРАТУРА 1. Солонин М.И., Решетников Ф.Г., Иолтуховс- кий А.Г., Никулина А.В. Новые конструкци- онные материалы активных зон ядерных энергетических установок//ФизХОМ. – 2001. – № 4. – С. 17-27. 2. Vasiliu F., Teodorescu I.A. Blistering and buble- formation processes observed in α-U thin films //Inst. Phys. Conf. Ser. – 1976. – № 28, Ch.7. – P. 324-328. 3. Горский В.В. Усовершенствование уранового топлива для легководных реакторов//Атомная техника за рубежом. – 2000. – № 5. – С. 3-12. 4. Кидд С. Уран и плутоний//Атомная техника за рубежом. – 2008. – № 10. – С. 26-28. 5. Crusset P. Modification of the hydriding kineties of an Uranium alloy by using ion implantation// Proc. 11-th Conf. on Vac. Metal. – 1992. – P. 256-258. 6. Зеленский В., Петельгузов И., Рекова Л., Ро- дак А. Влияние ионной имплантации на кор- розию циркония и сплавов на его основе// ВАНТ. Сер. ФРП и РМ. – Харьков: ХФТИ. – 1989. – Вып. 1 (48). – С. 47-52. 7. Калин Б.А., Осипов В.В., Волков Н.В., Олей- ников Н.В. Структура оксидных пленок, полу- ченных на ионно-легированной поверхности циркониевых сплавов//ФизХОМ. – 2004. – № 1. – С. 13-21. 8. Belous V.A., Nosov G.I. The effect of argon ion implantation on the corrosion resistance of zir- conium””Proc. ISDEIV, XV111-th Int. Symp. on Disch. and Electr. Insulation in Vacuum. Eind- hoven. The Netherlands. –1998. – P. 634-636. 9. Hirvonen J.K. Ion implantation in tribology and corrosion science//J. Vac. Sci. Technol. – 1978. – Vol. 15, № 5. – P. 1662-1668. 10. Dearnaley G. The modification of materials by ion implantation//Phys. Technol.–1983.– Vol. 14. – P. 227. 11. Холден А.Н. Физическое металловедение урана/пер.с англ. – М.: ГОНТИ, 1962. – 268 с. 12. Зуев Ю.Н., Кабанова И.Г., Сагарадзе В.В., Пе- черкина Н.Л., Подгорнова И.В., Мухин М.Л. Типы двойников и дислокационная структура α-урана в исходном и деформированном сос- тояниях//Физика металлов и металловедение. – 2008. – Т. 106, № 1. – С. 100-112. 13. Белоус В.А., Носов Г.И., Поляшенко Р.Ф., Ре- кова Л.П. О влиянии облучения ионами ар- гона на свойства поверхности сплава Zr + 1% Nb//Сб. трудов межгосударственной науч-но- технической конференции “Проблемы цир- кония и гафния в атомной энергетике”, Крым, Алушта. – 1999. – С. 103-106. 14. Goode P.D. The influence of ion implantation on the oxidation of nickel//Inst. of Phys. Conf., Bristol. – 1976. – Chapter 24. – P. 154. 15. Шерцер Б. Развитие рельефа на поверхности вследствие имплантации ионов газов//В кн. Ионная имплантация/Под ред. Дж.К. Хирво- нена/Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1986. – С. 360-469. 16. Эшворт В., Проктер Р.П., Грант У.А. Ионная имплантация и водная коррозия//В кн. Ион- ная имплантация/Под ред. Дж. К. Хирвонена/ пер. с англ. – М.: Металлургия, 1985. – С. 139-202. 17. Дернели Г. Термическое окисление//В кн. Ионная имплантация/Под ред. Дж. К. Хир- вонена/Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1985. – С.139-202. 18. Калетта Д. Ионная имплантация в материалы //Физика твердого тела. – 1980. – Вып. 10. – С. 298. 19. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в метал- лы. – М.: Металлургия, 1990. – 216 с. О ВЛИЯНИИ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ Ar+ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98876
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1999-8074
language	Russian
last_indexed	2025-11-30T21:49:24Z
publishDate	2010
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format	dspace
spelling	Белоус, В.А. Носов, Г.И. Азаренков, Н.А. 2016-04-18T18:20:20Z 2016-04-18T18:20:20Z 2010 О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов / В.А. Белоус, Г.И. Носов, Н.А. Азаренков // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 161–168. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98876 621.7.9 Приведены результаты исследования влияния облучения ионами Ar⁺ на коррозию урана и циркониевого сплава Zr + 1%Nb. Энергия ионов аргона составляла 5 ÷ 25 кэВ. Представлены данные по зависимости коррозионной стойкости (КС) материалов от параметров ионного облучения. Показано, что с ростом дозы ионного облучения КС исследуемых материалов возрастает, достигает максимума и с превышением критического значения дозы снижается. Замедление коррозии обусловлено образованием в поверхностном слое барьера из атомов аргона, снижающего скорость сорбции химически активных газов поверхностью металла, а также возникновением газовых пузырей в облученной поверхности. Критическая доза облучения ионами аргона обусловлена возникновением блистеров – разрушением поверхности при вскрытии ранее образовавшихся газовых пузырей в облученной поверхности, выходом из поверхности накопленного при имплантации аргона. Наведено результати дослідження впливу опромінення іонами Ar⁺ на корозію урану й цирконієвого сплаву Zr + 1%Nb. Енергія іонів аргону становила 5 ÷ 25 кеВ. Представлено дані по залежності корозійної стійкості (КС) матеріалів від параметрів іонного опромінення. Показано, що з ростом дози іонного опромінення КС досліджуваних матеріалів зростає, досягає максимуму й з перевищенням критичного значення дози знижується. Уповільнення корозії обумовлене утворенням у поверхневому шарі бар’єра з атомів аргону, що знижує швидкість сорбції хімічно активних газів поверхнею металу, а також виникненням газових пузирів в опроміненій поверхні. Критична доза опромінення іонами аргону обумовлена виникненням блістерів – руйнуванням поверхні при розкритті газових пузирів, що раніше утворилися, в опроміненій поверхні, виходом з поверхні накопиченого при імплантації аргону. The results of research of the irradiation effect by Ar⁺ ions on the corrosion resistance of uranium and alloy Zr + 1%Nb were adduced. The energy of Ar+ ions was 5 ÷ 25 keV. The data on dependence of a materials corrosion firmness (CF) from operation factors of ion irradiation were presented. CF of the under consideration materials increases with growth of the doze of ion irradiation, reaches maximum and is reduced with exceeding of the critical value of doze. The retardation of corrosion is caused by formation of the barrier from the argon atoms in blanket, which decreases the sorption speed of the chemically active gases by surface of metal, and as well by beginnings of the gas bubbles in irradiated surface. The critical dose of irradiation is caused by beginnings of the blisters – by destruction of surface at revelation of earlier educated gas bubbles in irradiated surface, by outcrop from surface of argon, accumulated at ion implantation. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов Article published earlier
spellingShingle	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов Белоус, В.А. Носов, Г.И. Азаренков, Н.А.
title	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов
title_full	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов
title_fullStr	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов
title_full_unstemmed	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов
title_short	О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов
title_sort	о влиянии облучения ионами ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98876
work_keys_str_mv	AT belousva ovliâniioblučeniâionamiarnakorrozionnuûstoikostʹmetallovisplavov AT nosovgi ovliâniioblučeniâionamiarnakorrozionnuûstoikostʹmetallovisplavov AT azarenkovna ovliâniioblučeniâionamiarnakorrozionnuûstoikostʹmetallovisplavov

О влиянии облучения ионами Ar⁺ на коррозионную стойкость металлов и сплавов

Репозитарії

Схожі ресурси