Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb

Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb

В работе приводятся результаты исследований влияния ионно-плазменной обработки (ИПО), включающей осаждение ионно-плазменных покрытий и ионную имплантацию, на механические свойства образцов из отрезков твэльных трубок циркониевого сплава Zr1Nb. Были получены однослойные (TiN), многослойные (Ti...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Физическая инженерия поверхности
Date:2013
Main Authors: Белоус, В.А., Вьюгов, П.Н., Куприн, А.С., Леонов, С.А., Носов, Г.И., Овчаренко, В.Д., Ожигов, Л.С., Руденко, А.Г., Савченко, В.И., Толмачева, Г.Н., Хороших, В.М.
Format: Article
Language:Russian
Published: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2013
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99813
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb / В.А. Белоус, П.Н. Вьюгов, А.С. Куприн, С.А. Леонов, Г.И. Носов, В.Д. Овчаренко, Л.С. Ожигов, А.Г. Руденко, В.И. Савченко, Г.Н. Толмачева, В.М. Хороших // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 1. — С. 97–102. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99813
record_format dspace
spelling Белоус, В.А.
Вьюгов, П.Н.
Куприн, А.С.
Леонов, С.А.
Носов, Г.И.
Овчаренко, В.Д.
Ожигов, Л.С.
Руденко, А.Г.
Савченко, В.И.
Толмачева, Г.Н.
Хороших, В.М.
2016-05-03T15:26:18Z
2016-05-03T15:26:18Z
2013
Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb / В.А. Белоус, П.Н. Вьюгов, А.С. Куприн, С.А. Леонов, Г.И. Носов, В.Д. Овчаренко, Л.С. Ожигов, А.Г. Руденко, В.И. Савченко, Г.Н. Толмачева, В.М. Хороших // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 1. — С. 97–102. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
1999-8074
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99813
621.793: 539.23: 539.32
В работе приводятся результаты исследований влияния ионно-плазменной обработки (ИПО), включающей осаждение ионно-плазменных покрытий и ионную имплантацию, на механические свойства образцов из отрезков твэльных трубок циркониевого сплава Zr1Nb. Были получены однослойные (TiN), многослойные (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, и многокомпонентные наноструктурные TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN покрытия. Ряд образцов был облучен ионами Zr⁺, Mo⁺, N₂⁺ и О₂⁺. После ИПО образцы подвергались испытаниям на растяжение. Осаждение упрочняющих ионно-плазменных покрытий приводит к увеличению предела прочности σВ на разрыв от 12 до 21% при 350 °С, а условный предел текучести σ₀,₂ остаётся при этом практически неизменным. После ионного облучения заметно увеличился (до 16%) условный предел текучести σ₀,₂. Показано, что исследуемые покрытия толщиной ∼5 мкм обладают высокой твёрдостью (до 45 ГПа), а после ИПО отмечено увеличение твердости и модуля упругости образцов.
У роботі наводяться результати досліджень впливу іонно-плазмової обробки (ІПО), що включає осадження іонно-плазмових покриттів та іонну імплантацію, на механічні властивостізразків з відрізків твельних трубок цирконієвого сплаву Zr1Nb. Були отримані одношарові (TiN), багатошарові (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, і багатокомпонентні наноструктурні TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN покриття. Ряд зразків були імплантовані іонами Zr⁺, Mo⁺, N₂⁺ і О₂⁺. Після ІПО зразки піддавалися випробуванням на розтягування. Осадження зміцнюючих іонно-плазмових покриттів призводить до збільшення межі міцності σВ на розрив від 12 до 21% при 350 °С, а умовна межа плинності σ₀,₂ залишається при цьому практично незмінною. Після іонного опромінення помітно збільшилась (до 16%) умовна межа плинності σ₀,₂. Показано, що досліджувані покриття товщиною ∼5 мкм мають високу твердість (до 45 ГПа), а після ІПО відзначено збільшення твердості та модуля пружності зразків.
The paper presents the results of the effect of ion-plasma treatment (IPT), which includes ion-plasma deposition of coatings and ion implantation. The mechanical properties of the segments of zirconium alloy Zr1Nb tubes after IPT were studied. Were obtained by single-layer (TiN), multilayer (Ti + TiN)x , (Zr + ZrN)x , and multicomponent nanostructured TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN coatings. A series of samples was implanted by ions Zr⁺, Mo⁺, N₂⁺ and О₂⁺. After IPT, the samples were tested in tension. Deposition of ion-plasma coatings increases the tensile strength σB from 12 to 21% at 350 °C, and the yield strength σ₀,₂ remains unchanged. After ion implantation significantly increased (to 16%) yield strength σ₀,₂. It is shown that the investigated coatings thickness of about 5 microns have high hardness (45 GPa), and after IPT the hardness and elastic modulus are increased.
ru
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
Физическая инженерия поверхности
Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
spellingShingle Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
Белоус, В.А.
Вьюгов, П.Н.
Куприн, А.С.
Леонов, С.А.
Носов, Г.И.
Овчаренко, В.Д.
Ожигов, Л.С.
Руденко, А.Г.
Савченко, В.И.
Толмачева, Г.Н.
Хороших, В.М.
title_short Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
title_full Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
title_fullStr Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
title_full_unstemmed Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb
title_sort исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава zr1nb
author Белоус, В.А.
Вьюгов, П.Н.
Куприн, А.С.
Леонов, С.А.
Носов, Г.И.
Овчаренко, В.Д.
Ожигов, Л.С.
Руденко, А.Г.
Савченко, В.И.
Толмачева, Г.Н.
Хороших, В.М.
author_facet Белоус, В.А.
Вьюгов, П.Н.
Куприн, А.С.
Леонов, С.А.
Носов, Г.И.
Овчаренко, В.Д.
Ожигов, Л.С.
Руденко, А.Г.
Савченко, В.И.
Толмачева, Г.Н.
Хороших, В.М.
publishDate 2013
language Russian
container_title Физическая инженерия поверхности
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format Article
description В работе приводятся результаты исследований влияния ионно-плазменной обработки (ИПО), включающей осаждение ионно-плазменных покрытий и ионную имплантацию, на механические свойства образцов из отрезков твэльных трубок циркониевого сплава Zr1Nb. Были получены однослойные (TiN), многослойные (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, и многокомпонентные наноструктурные TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN покрытия. Ряд образцов был облучен ионами Zr⁺, Mo⁺, N₂⁺ и О₂⁺. После ИПО образцы подвергались испытаниям на растяжение. Осаждение упрочняющих ионно-плазменных покрытий приводит к увеличению предела прочности σВ на разрыв от 12 до 21% при 350 °С, а условный предел текучести σ₀,₂ остаётся при этом практически неизменным. После ионного облучения заметно увеличился (до 16%) условный предел текучести σ₀,₂. Показано, что исследуемые покрытия толщиной ∼5 мкм обладают высокой твёрдостью (до 45 ГПа), а после ИПО отмечено увеличение твердости и модуля упругости образцов. У роботі наводяться результати досліджень впливу іонно-плазмової обробки (ІПО), що включає осадження іонно-плазмових покриттів та іонну імплантацію, на механічні властивостізразків з відрізків твельних трубок цирконієвого сплаву Zr1Nb. Були отримані одношарові (TiN), багатошарові (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, і багатокомпонентні наноструктурні TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN покриття. Ряд зразків були імплантовані іонами Zr⁺, Mo⁺, N₂⁺ і О₂⁺. Після ІПО зразки піддавалися випробуванням на розтягування. Осадження зміцнюючих іонно-плазмових покриттів призводить до збільшення межі міцності σВ на розрив від 12 до 21% при 350 °С, а умовна межа плинності σ₀,₂ залишається при цьому практично незмінною. Після іонного опромінення помітно збільшилась (до 16%) умовна межа плинності σ₀,₂. Показано, що досліджувані покриття товщиною ∼5 мкм мають високу твердість (до 45 ГПа), а після ІПО відзначено збільшення твердості та модуля пружності зразків. The paper presents the results of the effect of ion-plasma treatment (IPT), which includes ion-plasma deposition of coatings and ion implantation. The mechanical properties of the segments of zirconium alloy Zr1Nb tubes after IPT were studied. Were obtained by single-layer (TiN), multilayer (Ti + TiN)x , (Zr + ZrN)x , and multicomponent nanostructured TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN coatings. A series of samples was implanted by ions Zr⁺, Mo⁺, N₂⁺ and О₂⁺. After IPT, the samples were tested in tension. Deposition of ion-plasma coatings increases the tensile strength σB from 12 to 21% at 350 °C, and the yield strength σ₀,₂ remains unchanged. After ion implantation significantly increased (to 16%) yield strength σ₀,₂. It is shown that the investigated coatings thickness of about 5 microns have high hardness (45 GPa), and after IPT the hardness and elastic modulus are increased.
issn 1999-8074
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99813
citation_txt Исследование влияния ионно-плазменной обработки на механические характеристики циркониевого сплава Zr1Nb / В.А. Белоус, П.Н. Вьюгов, А.С. Куприн, С.А. Леонов, Г.И. Носов, В.Д. Овчаренко, Л.С. Ожигов, А.Г. Руденко, В.И. Савченко, Г.Н. Толмачева, В.М. Хороших // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 1. — С. 97–102. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT belousva issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT vʹûgovpn issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT kuprinas issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT leonovsa issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT nosovgi issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT ovčarenkovd issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT ožigovls issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT rudenkoag issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT savčenkovi issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT tolmačevagn issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
AT horošihvm issledovanievliâniâionnoplazmennoiobrabotkinamehaničeskieharakteristikicirkonievogosplavazr1nb
first_indexed 2025-11-25T22:33:13Z
last_indexed 2025-11-25T22:33:13Z
_version_ 1850566411379802112
fulltext 97 УДК 621.793: 539.23: 539.32 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА Zr1Nb В.А. Белоус, П.Н. Вьюгов, А.С. Куприн, С.А. Леонов, Г.И. Носов, В.Д. Овчаренко, Л.С. Ожигов, А.Г. Руденко, В.И. Савченко, Г.Н. Толмачева, В.М. Хороших Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт” Украина Поступила в редакцию 09.01.2013 В работе приводятся результаты исследований влияния ионно-плазменной обработки (ИПО), включающей осаждение ионно-плазменных покрытий и ионную имплантацию, на механические свойства образцов из отрезков твэльных трубок циркониевого сплава Zr1Nb. Были получены однослойные (TiN), многослойные (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, и многокомпонентные нанострук- турные TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN покрытия. Ряд образцов был облучен ионами Zr+, Mo+, N2 + и О2 +. После ИПО образцы подвергались испытаниям на растяжение. Осаждение упрочняющих ионно-плазменных покрытий приводит к увеличению предела прочности σВ на разрыв от 12 до 21% при 350 °С, а условный предел текучести σ0,2 остаётся при этом практически неизменным. После ионного облучения заметно увеличился (до 16%) условный предел текучести σ0,2. Показано, что исследуемые покрытия толщиной ∼ 5 мкм обладают высокой твёрдостью (до 45 ГПа), а после ИПО отмечено увеличение твердости и модуля упругости образцов. Ключевые слова: ионно-плазменные покрытия, ионная имплантация, циркониевые сплавы, механические свойства, испытания на растяжение. ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ІОННО-ПЛАЗМОВОЇ ОБРОБКИ НА МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКОНІЄВОГО СПЛАВУ Zr1Nb В.А. Білоус, П.M. В’югов, О.С. Купрін, С.О. Леонов, Г.І. Носов, В.Д. Овчаренко, Л.С. Ожигов, О.Г. Руденко, В.І. Савченко, Г.М. Толмачова, В.М. Хороших У роботі наводяться результати досліджень впливу іонно-плазмової обробки (ІПО), що включає осадження іонно-плазмових покриттів та іонну імплантацію, на механічні властивості зразків з відрізків твельних трубок цирконієвого сплаву Zr1Nb. Були отримані одношарові (TiN), багатошарові (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, і багатокомпонентні наноструктурні TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN покриття. Ряд зразків були імплантовані іонами Zr+, Mo+, N2 + і О2 +. Після ІПО зразки піддавалися випробуванням на розтягування. Осадження зміцнюючих іонно-плазмових покриттів призводить до збільшення межі міцності σВ на розрив від 12 до 21% при 350 °С, а умовна межа плинності σ0,2 залишається при цьому практично незмінною. Після іонного опромінення помітно збільшилась (до 16%) умовна межа плинності σ0,2. Показано, що досліджувані покриття товщиною ∼ 5 мкм мають високу твердість (до 45 ГПа), а після ІПО відзначено збільшення твердості та модуля пружності зразків. Ключові слова: іонно-плазмові покриття, іонна імплантація, цирконієві сплави, механічні властивості, випробування на розтяг. INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF ION-PLASMA TREATMENT ON MECHANICAL PROPERTIES OF ZIRCONIUM ALLOY Zr1Nb V.A. Belous, P.N. V’ygov, A.S. Kuprin, S.A. Leonov, G.I. Nosov, V.D. Ovcharenko, L.S. Ozhigov, A.G. Rudenko, A.G. Savchenko, G.N. Tolmachova, V.M. Khoroshikh The paper presents the results of the effect of ion-plasma treatment (IPT), which includes ion-plasma deposition of coatings and ion implantation. The mechanical properties of the segments of zirconium alloy Zr1Nb tubes after IPT were studied. Were obtained by single-layer (TiN), multilayer (Ti + TiN)x, (Zr + ZrN)x, and multicomponent nanostructured TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN coatings. A series of samples was implanted by ions Zr+, Mo+, N2 + and O2 +. After IPT, the samples were tested in tension. Deposition of ion-plasma coatings increases the tensile strength σB from 12 to 21% at 350 °C, and the yield strength σ0,2 remains unchanged. After ion implantation significantly increased (to 16%) yield strength σ0,2. It is shown that the investigated coatings thickness of about 5 microns have high hardness (45 GPa), and after IPT the hardness and elastic modulus are increased. Keywords: ion-plasma coatings, ion implantation, zirconium alloys, mechanical properties, tensile test.  В.А. Белоус, П.Н. Вьюгов, А.С. Куприн, С.А. Леонов, Г.И. Носов, В.Д. Овчаренко, Л.С. Ожигов, А.Г. Руденко, В.И. Савченко, Г.Н. Толмачева, В.М. Хороших, 2013 ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 198 ВВЕДЕНИЕ Циркониевые сплавы вследствие ряда досто- инств (малое сечение захвата тепловых ней- тронов, высокая температура плавления, хо- рошие механические свойства и высокая кор- розионная стойкость) являются основным компонентом конструкционных сплавов для атомной техники. По совокупности своих ядерных и технологических свойств цирко- ниевые сплавы являются одними из лучших материалов для оболочек твэлов [1]. Основной задачей в развитии энергетичес- кого реакторостроения является повышение эксплуатационной надежности и безопасно- сти реакторов, улучшение их экономических показателей. Возрастание мощности ядерных реакторов, увеличение глубины выгорания топлива, продление ресурса ТВС требует улуч- шения эксплуатационных характеристик цир- кониевых сплавов, используемых для изго- товления твэлов. Перспективным в этом на- правлении является изменение состояния по- верхности циркониевых изделий путём её мо- дификации ионно-плазменной обработкой (ионной имплантацией и осаждением ион- но-плазменных защитных покрытий, отли- чающихся по составу, структуре и свойствам от основного материала). В последнее время появился ряд работ, в которых изучалось вли- яние ионно-плазменной обработки на кор- розионное поведение циркониевых сплавов [2 – 4]. Гораздо меньше данных о влиянии ИПО на механические свойства циркониевых сплавов. Так в работе [5] показано, что вслед- ствие облучения ионами переходных метал- лов в поверхности циркониевых сплавов формируются градиентные наноструктурные слои с повышенными твердостью и модулем упругости, а облучение полиэнергетически- ми ионами Mo+ приводит к существенному уменьшению (в 2 – 3 раза) скорости ползу- чести сплава Zr1Nb. Осаждение защитных многослойных и многокомпонетных нано- структурных ионно-плазменных покрытий повышает твердость поверхностного слоя на циркониевых сплавах [6, 7]. В данной работе приведены результаты исследования влияния ионно-плазменной обработки (ИПО), включающей осаждение ионно-плазменных покрытий и ионную им- плантацию, на механические свойства твэльных трубок из сплава Zr1Nb. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ На образцы, изготовленные из отрезков твэльных трубок длиной 80 мм, и диаметром 9,2 мм осаждались бескапельные покрытия на установке типа “Булат-6” с использовани- ем прямолинейных фильтров плазменных по- токов [8]. Токи вакуумной дуги изменялись в пределах 80 ÷ 100 А, а прикладываемый к об- разцам отрицательный потенциал – 50 ÷ 100 В. Давление реакционного газа азота сос- тавляло 0,4 ÷ 0,6 Па. Толщина покрытий сос- тавляла величину порядка 4 – 5 мкм. Нано- структурные покрытия на основе TiN допол- нительно легировались элементами: Al, Y и Si. Многослойные покрытия были выполне- ны на основе чередующихся слоев Ti/TiN и Zr/ZrN. Для облучения образцов ионами Zr+, Mo+, N2 + и O2 + установка “Булат-6” была дополни- тельно оснащена источником газовой плазмы и высоковольтной системой доускорения ионов. Облучение проводилось в средне- энергетическом диапазоне энергий при дозе ионного облучения 1017÷1018 ион/см2. Нанотвёрдость (Н) и модуль Юнга (Е) оса- жденных конденсатов и имплантированных слоев измеряли с помощью прибора Nano- indenter G200 на плоских полированных об- разцах из сплава Zr1Nb, подвергнутых ИПО одновременно с трубками в тех же условиях. Образцы после ИПО подвергались испы- таниям на растяжение в установке “ИНС- ТРОН-5581” (рис. 1) и вакуумной машине Рис. 1. Общий вид установки “ИНСТРОН-5581”. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА ... 99 1246Р-2/2300 (рис. 2). Из полученных диаграмм растяжения при скорости 1 мм/мин определялись предел про- чности σв, условный предел текучести σ0,2, общее δ5 и равномерное δр удлинение. Испы- тания проводились при температуре +20 °С и +350 °С. С помощью измерения резонанс- ной частоты при изгибных колебаниях на ус- тановке ИВТ-3 определялся модуль упру- гости образцов с осажденными покрытиями Е = С⋅f 2, где f – резонансная частота изгиб- ных колебаний, а С – константа [9]. Также оценивался показатель степени де- формационного упрочнения n. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Ионно-плазменные покрытия. В табл. 1, приведены сравнительные результаты нано- индентирования различных по составу по- крытий и исходного сплава. Все покрытия об- ладают высокими твёрдостью (Н) и модулем упругости (Е). Максимальной твердостью (45 ГПа) обладает многокомпонентное нано- структурное покрытие Ti77,9Al19,2Si2,7N. Испытания на растяжение показали, что осаждение упрочняющих ионно-плазменных покрытий всех исследованных составов на образцы из твэльных трубок сплава Zr1Nb приводит также к улучшению их объемных механических характеристик. Так предел про- чности σв на разрыв при 350 °С увеличива- ется от 12 до 21% (рис. 3), а условный предел текучести σ0,2 остаётся практически неизмен- ным и только для покрытия Ti77,9Al19,2Si2,7N во- зрастает на 9%, незначительно растет объем- ный модуль упругости. Зависимость общего относительного удли- нения образцов при испытаниях на растяже- ние от вида ионно-плазменных покрытий представлена на рис. 4. Как видно из рис. 4, пластичность образ- цов после осаждения многослойных (Ti + TiN)x и (Zr + ZrN)x покрытий осталась практически неизменной при сохранении высоких проч- ностных характеристик. Для остальных по- Рис. 2. Общий вид установки 1246Р-2/2300. Таблица 1 Состав, толщина, твердость и модуль Юнга покрытий Состав покрытий d, мкм Н, ГПа Е, ГПа Без покрытия – 2,8 110 TiN 5 31 438 (Ti +TiN)x 5 29 380 (Zr + ZrN)x 5 27 280 Ti67Al33N 4 32 341 Ti68,4Al31,1Y0,5N 5 33 352 Ti77,9Al19,2Si2,7N 4 45 425 Рис. 3. Зависимость предела прочности σв (~) и услов- ного предела текучести σ0,2 (• ) образцов от вида ионно- плазменных покрытий: 1 – исходный образец; 2 – TiN; 3 – (Ti+TiN)x; 4 – (Zr+ZrN)x; 5 – TiAlN; 6 – TiAlSiN; 7 – TiAlYN. Температура испытаний Т = 350 °С. Рис. 4. Зависимость общего удлинения δ5 от вида ионно- плазменных покрытий: 1 – исходный образец; 2 – TiN; 3 – (Ti+TiN)x; 4 – (Zr+ZrN)x; 5 – TiAlN; 6 – TiAlSiN; 7 – TiAlYN. Температура испытаний Т = 350 оС. В.А. БЕЛОУС, П.Н. ВЬЮГОВ, А.С. КУПРИН, С.А. ЛЕОНОВ, Г.И. НОСОВ, В.Д. ОВЧАРЕНКО, Л.С. ОЖИГОВ, А.Г. РУДЕНКО, ... ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1100 крытий δ5 несколько уменьшилось. Равно- мерное относительное удлинение δр для всех видов покрытий значительно меньше, чем полное, и составляет δр = (22 ± 2)%. Незна- чительное изменение ∆δр = ±2% свидетельс- твует о стабильности материала покрытий. Показатель степени деформационного уп- рочнения находится на уровне n = 0,2. В част- ности он может быть использован для опре- деления живучести оболочек ТВЭЛ при изу- чении критической деформации потери плас- тической устойчивости из соотношения εθ = n/2, где εθ-окружная деформация [10]. Объемный модуль упругости при 20 °С изме- няется незначительно. Таким образом, полученные вакуумно-ду- говые покрытия дают возможность, наряду, с улучшением поверхностных свойств конс- трукционных материалов из Zr1Nb, также по- высить объёмно-прочностные свойства из- делий – твэлов. Ионная имплантация. На основании из- мерений, проведенных с помощью наноин- дентора (Nanoindentor G200) установлено, что после облучения полиэнергетическими (15 ÷ 60 кэВ) ионами металлов Mo+ и Zr+ и газовы- ми ионами N2 + и О2 + с энергией 15 кэВ в пло- ских образцах, вырезанных из твэльных тру- бок сплава Zr1Nb, формируются градиентные наноструктурные слои с увеличенными зна- чениями твердости и модуля упругости. На рис. 5 показана зависимость твердости поверхности таких образцов после имплан- тации от глубины внедрения индентора. Как видно из рис. 5, твердость поверхнос- ти сплава после имплантации возросла в 2,5 ÷ 3 раза. С увеличением толщины модифи- цированного слоя от 20 до 200 нм нанотвер- дость монотонно снижается до значений, ха- рактерных для объема материала. При этом модуль упругости поверхности сплава Zr1Nb вырастает на 20 ÷ 30% (120 ÷ 140 ГПа). Испытание таких образцов на растяжение показало заметное увеличение условного пре- дела текучести σ0,2 для всех облученных об- разцов (рис. 6). Максимальное увеличение σ0,2 (на 16%) было получено при облучении полиэнергетическими ионами циркония. Видно, что условный предел текучести σ0,2 возрастает с увеличением ускоряющего отри- цательного потенциала Еп, прикладываемого к подложке с образцами. При этом предел прочности σв для всех облученных образцов остался практически неизменным. Увеличение условного предела текучести сплава после имплантации может быть объя- снено тем, что внедрённые атомы и радиаци- онные дефекты, способствуют закреплению дислокаций и повышают уровень напряже- ний, необходимый для активации дислока- ционных источников вблизи поверхности материала. На рис. 7 показана зависимость общего уд- линения образцов при испытаниях на рас- тяжение. Величина общего удлинения δ5 при облу- чении ионами металлов немного снизилась, а после облучения газовыми ионами возросла (на 10%). Также ионное облучение приводит к небольшому увеличению объемного модуля упругости. Рис. 5. Зависимость твердости от глубины инден- тирования сплава Zr1Nb исходного (1) и облученного ионами Mo+ (2) и Zr+ (3) с энергией 15 ÷ 60 кэВ, доза 1018 ион/см2. Рис. 6. Зависимость предела прочности σв (~) и ус- ловного предела текучести σ0,2 (• ) образцов после об- лучения от вида и энергии ионов. Температура испы- таний Т = 350 оС. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА ... 101 Как показали ранее проведенные измере- ния [13], глубина слоя с имплантированными атомами достигает 200 нм. Из результатов ис- следований видно, что имплантация оказы- вает влияние не только на свойства поверх- ностного слоя (нанотвердость, модуль упру- гости), но и на некоторые объемные характе- ристики (предел текучести, общее удлине- ние). Полученные результаты могут быть объяс- нены в рамках подхода, предложенного авто- рами работы [11], заключающегося в том, что наноструктурирование поверхности и нане- сение наноструктурных покрытий приводит к увеличению макро- механических свойств всего материала в целом. С другой стороны, в работе [12], обнару- жено, что облучение поверхности трубки из сплава Zr1Nb ионами гелия с энергией 2 кэВ вызывает переориентацию зерен, подобную происходящей при полной рекристаллиза- ции. Это свидетельствует, по мнению авто- ров, о распространении в теле оболочки тру- бы упругих волн, возникающих в поверхност- ном слое при торможении ионов. Т.е. в опре- деленных режимах обработки ионами про- исходят структурные изменения по всей глу- бине стенки трубки, которые изменяют меха- нические свойства образцов. При использовании вакуумно-дугового способа для нанесения покрытий поверх- ность деталей, как правило, подвергается предварительной обработке потоками метал- лических ионов с энергией ∼ 1 – 2 кэВ и со- провождается в процессе осаждения бомбар- дировкой ионами более низких энергий. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Показана перспективность использова- ния метода ионно-плазменной обработки для улучшения механических свойств твэльных трубок из сплава Zr1Nb. При этом увеличива- ются как поверхностные, так и объемно-про- чностные свойства трубок. Осаждение ион- но-плазменных покрытий приводит к увели- чению предела прочности σв до 21%, а ион- ная имплантация – к увеличению предела текучести σ0,2 до 16%. 2. Полученные ионно-плазменные кон- денсаты толщиной d ∼ 5 мкм обладают высо- кой твёрдостью (Н) и модулем упругости (Е). Максимальная твердость на поверхности об- разцов из сплава Zr1Nb (45 ГПа) получена при осаждении наноструктурного покрытия Ti77,9Al19,2Si2,7N. 3. Имплантация полиэнергетических ионов Mo+ и Zr+ приводит к увеличению твердости поверхности в 2,5 ÷ 3 раза и росту модуля упругости на 20 ÷ 30% (до 120 ÷ 140 ГПа). Глубина упрочненного слоя достигает 200 нм. ЛИТЕРАТУРА 1. Солонин М.И., Решетников Ф.Г., Иолтухов- вский А.Г., Никулина А.В. Новые конструк- ционные материалы активных зон ядерных энергетических установок//ФизХОМ. – 2001.– № 4. – С. 17-27. 2. Baеck J.H., Park K.B., Jeong Y.H. Oxidation ki- netics of zircaloy-4 and Zr-1 Nb-1Sn-0,1Fe of temperature of 700 – 1200°//Journ. of Nucl. Mat. – 2004. – Vol. 340, No. 3. – P.443-456. 3. Park J.Y., Choi B.K., Jeоng Y.H., Jung Y.H. Corrosion behavior of Zr alloys with a high Nb content//Journ. of Nucl. Mat. – 2005. – Vol. 335, No. 2-3. – P.237-246. 4. Peng D.Q., Bai X.D., Pan F., Sun H., Chen B.S. Surface analysis of Zircaloy-2 implanted with carbon before and after oxidation in air at 500°C //Materials Characterization. – 2006. – Vol. 56, Issue 2. – P. 112-120. 5. Белоус В.А., Карасева Е.В., Носов Г.И., Соко- ленко В.И., Хороших В.М., Толмачева Г.Н. Влияние имплантации ионов Al+, Mo+, Zr+ на механические свойства циркониевого сплава Zr1Nb//Сб. тр. LI Междунар. конф. “Актуаль- ные проблемы прочности” (Харьков, Украи- на). – 2011. – С.73. Рис. 7. Зависимость величины общего удлинения δ5 при растяжении образцов после облучения от вида и энергии ионов. Температура испытаний Т = 350 оС. В.А. БЕЛОУС, П.Н. ВЬЮГОВ, А.С. КУПРИН, С.А. ЛЕОНОВ, Г.И. НОСОВ, В.Д. ОВЧАРЕНКО, Л.С. ОЖИГОВ, А.Г. РУДЕНКО, ... ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1102 6. Sung J.H., Kim T.H., Kim S.S. Fretting damage of TiN coated zircaloy-4 tube//Wear. – 2001. – Vol. 250, Issues 1-12. – P. 658-664. 7. Белоус В.А., Леонов С.А., Носов Г.И., Хоро- ших В.М., Ломино Н.С., Толмачева Г.Н., Бро- вина М.А., Ермоленко И.Г. Модификация по- верхности сплава Э110 осаждением много- слойных Zr/ZrN покрытий и ионным облуче- нием//Физическая инженерия поверхности. – 2009. – T. 7, № 1-2. – С.76-81. 8. Аксёнов И.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005. – 212 с. 9. Латишенко В.А.. Диагностика жесткости и прочности материалов. – Рига.: Зинатне, 1968. – 319 с. 10. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твёрдых тел. – М.: Металлургия, 1971. – 264 с. 11. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В., Почи- валов Ю.И. Наноструктурирование поверх- ностных слоёв и нанесение наноструктурных покрытий – эффективный способ упрочнения современных конструкционных и инструмен- тальных материалов//Физика металлов и металловедение. – 2007. – Т. 104, № 6.– С. 650-660. 12. Перлович Ю.А., Исаенкова М.Г., Грехов М., Крымская О.А., Польский В.И. Изменение текстуры и структуры в объеме оболочечных труб из Zr-сплавов при поверностной ионно- плазменной обработке//Тр. ХIX междунар. конф. по физике радиационных явлений и ра- диационному материаловедению (Алушта). – 2010. – С. 125-126. 13. Левенец В.В., Омельник А.П., Щур А.А., Бе- лоус В.А., Носов Г.И. Применение реакции 27Al(p, g)28Si для исследования градиентных материалов на основе циркония//Физика и xимия обработки материалов. – 2007. – № 2. – С. 12-16. LITERATURA 1. Solonin M.I., Reshetnikov F.G., Ioltuhovskij A.G., Nikulina A.V. Novye konstrukcionnye materialy aktivnyh zon yadernyh energeticheskih ustano- vok//FizHOM. – 2001. – № 4. – S. 17-27. 2. Baeck J.H., Park K.B., Jeong Y.H. Oxidation ki- netics of zircaloy-4 and Zr-1 Nb-1Sn-0,1Fe of temperature of 700 – 1200°//Journ. of Nucl. Mat. – 2004. – Vol. 335, No. 3. – P.443-456. 3. Park J.Y., Choi B.K., Jeong Y.H., Jung Y.H. Corrosion behavior of Zr alloys with a high Nb content//Journ. of Nucl. Mat. – 2005. – Vol. 340, No. 2-3. – P. 237-246. 4. Peng D.Q., Bai X.D., Pan F., Sun H., Chen B.S. Surface analysis of Zircaloy-2 implanted with carbon before and after oxidation in air at 500°C //Materials Characterization. – 2006. – Vol. 56, Issue 2. – P. 112-120. 5. Belous V.A., Karaseva E.V., Nosov G.I., So- kolenko V.I., Horoshih V.M., Tolmacheva G.N. Vliyanie implantacii ionov Al+, Mo+, Zr+ na meha- nicheskie svojstva cirkonievogo splava Zr1Nb// Sb. tr. LI Mezhdunar. konf. “Aktualnye proble- my prochnosti” (Har’kov, Ukraina). – 2011. – S.73. 6. Sung J.H., Kim T.H., Kim S.S. Fretting damage of TiN coated zircaloy-4 tube//Wear. – 2001. – Vol. 250, Issues 1-12. – P. 658-664. 7. Belous V.A., Leonov S.A., Nosov G.I., Horos- hih V.M., Lomino N.S., Tolmacheva G.N., Brovi- na M.A., Ermolenko I.G. Modifikaciya poverh- nosti splava E110 osazhdeniem mnogoslojnyh Zr/ ZrN pokrytij i ionnym oblucheniem//Fizicheskaya inzheneriya poverhnosti. – 2009. – T. 7, № 1-2. – S.76-81. 8. Aksenov I.I. Vakuumnaya duga v erozionnyh istochnikah plazmy. – Harkov: NNC HFTI, 2005. – 212 s. 9. Latishenko V.A.. Diagnostika zhestkosti i proch- nosti materialov. – Riga.: Zinatne, 1968. – 319 s. 10. Ekobori T. Fizika i mehanika razrusheniya i pro- chnosti tverdyh tel. – M.: Metallurgiya, 1971. – 264 s. 11. Panin V.E., Sergeev V.P., Panin A.V., Pochiva- lov Yu.I. Nanostrukturirovanie poverhnostnyh sloev i nanesenie nanostrukturnyh pokrytij – ef- fektivnyj sposob uprochneniya sovremennyh kon- strukcionnyh i instrumental’nyh materialov//Fizika metallov i metallovedenie. – 2007. – T. 104, № 6. – S.650-660. 12. Perlovich Yu.A., Isaenkova M.G., Grehov M.M., Krymskaya O.A., Pol’skij V.I. Izmenenie tekstury i struktury v ob‘eme obolochechnyh trub iz Zr- splavov pri povernostnoj ionno-plazmennoj ob- rabotke//Tr. ХIX mezhdunar. konf. po fizike ra- diacionnyh yavlenij i radiacionnomu materia- lovedeniyu (Alushta). – 2010. – S. 125-126. 13. Levenec V.V., Omelnik A.P., Schur A.A., Belo- us V.A., Nosov G.I. Primenenie reakcii 27Al(p, g)28Si dlya issledovaniya gradientnyh ma- terialov na osnove cirkoniya//Fizika i ximiya ob- rabotki materialov. – 2007. – № 2. – S. 12-16. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА ...

Similar Items