Слоистые композиционные гидрированные пленки из циркония и ниобия: способ получения и контроль методом термоэдс (термоэлектрический метод)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для получения слоистых материалов с включением водорода использованы пленки Nb/Zr с различным количеством слоев от 50 до 100. Пленки напыляли на подложку из кремния вакуумно-магнетронным способом на специализированной установке. Толщину пленок варьировали от 10 до 50 нм. Полученный материал гидрировали протонами на электростатическом генераторе ТПУ с энергией до 1,2 МэВ. Определены режимы нанесения наноразмерных металлических многослойных систем Zr/Nb: для Zr-мишени удельная мощность распылительной системы равна 37,9 Вт/см2, для Nb-мишени — 26,4 Вт/см2. Получено покрытие с четкими границами между индивидуальными слоями циркония и ниобия. Показано, что оптимальными режимами для исследования наноразмерных слоев Zr/Nb является давление 700 Па, мощность 40 Вт, частота 2 кГц, коэффициент заполнения плазмы 12,5 % для покрытий с толщиной индивидуальных слоев 100 нм. Для покрытий с толщиной слоев от 10 до 50 нм — давление 650 Па, мощность 40 Вт, частота 1 кГц. Для контроля свойств применяется метод термоэдс (термоэлектрический метод) (ГОСТ 25315—82). Выявлено, что после протонного облучения происходит интенсивное накопление атомов водорода вблизи интерфейсов, снижает дефектность структуры и влечет изменение термоэдс вплоть до инверсии ее знака. Распределение водорода имеет преимущественно бимодальный характер, локальные максимумы концентрации водорода наблюдаются на границах раздела Nb/Zr, а на границе раздела Zr/Nb накопление значительно ниже. Локализация водорода вблизи интерфейсов происходит преимущественно в окрестности циркония.

Об авторах

В. В. Ларионов

Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: lvv@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, пр. Ленина, 30

Р. С. Лаптев

Томский политехнический университет

Email: laptevrs@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, пр. Ленина, 30

А. М. Лидер

Томский политехнический университет

Email: lider@tpu.ru
Россия, 634050 Томск, пр. Ленина, 30

Список литературы

  1. Li Y., Feng Z., Haq L., Huang L., Xin Ch., Wang Y., Bilotti E., Essa Kh., Zhang H., Li Z., Yan F., Peijs T. A Review on Functionally Graded Materials and Structures via Additive Manufacturing: From Multi-Scale Design to Versatile Functional Properties // Advanced Materials Technologies. John Wiley & Sons, Ltd. 2020. V. 5. P. 1900981.
  2. Bhattacharyya A., Maurice D. Residual stresses in functionally graded thermal barrier coatings // Mechanics of Materials. Elsevier. 2019. V. 129. P. 50—56.
  3. Суфияров В.Ш., Орлов А.В., Борисов Е.В., Полозов И.А., Попович А.А., Чуковенкова М.О., Соклаков А.В., Михалюк Д.С. Конечно-элементное моделирование одноосного растяжения образцов из функционально-градиентного материала с использованием мультилинейной модели пластичности // ЖТФ. 2021. Т. 91. Вып. 1. С. 26—31.
  4. Onishchenko D.V., Popovich A.A., Wang X.S. Synthesis of the nanodimensional powder of tungsten carbide for the development of functional nanocomposite coatings // Russ. J. Non-ferrous Metals. 2013. V. 54. P. 246—251.
  5. Попович A.A. Аддитивные технологии как новый способ создания перспективных функциональных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 1 (775). С. 19—25.
  6. Попович А.А., Борисов Е. В., Суфиаров В.Ш., Попович А.А. Формирование заданных свойств функционально-градиентного сплава Inconel 718 с использованием аддитивных технологий // Металловедение и термическая обработка металлов. 2018. № 11 (761). С. 14—22.
  7. Orlov A. V., Orlov V.S., Sufiiarov V.S., Borisov E.V., Polozov I.A., Masaylo D.V., Popovich A.A., Chukovenkova M.O., Soklakov A.V., Mikhaluk D.S. Numerical simulation of the inelastic behavior of a structurally graded material // Letters on Materials. 2019. No. 9. P. 97—102.
  8. Silverstein R., Eliezer D. Hydrogen trapping in 3D-printed (additive manufactured) Ti-6Al-4V // Materials Characterization. 2018. V. 144. P. 297—304.
  9. Metalnikov P., Eliezer D., Ben-Hamu G. Hydrogen trapping in additive manufactured Ti–6Al–4V alloy // Materials Science and Engineering: A. 2021. V. 811. P. 141050.
  10. Panin V.E., Panin S.V., Shugurov A.R. The Effect of Nanoscale Mesoscopic Structural States Associated with Lattice Curvature on the Mechanical Behavior of Ti–6Al–4V Alloy // Physical Mesomechanics. 2020. V. 23. P. 457—465.
  11. Boyangin E.N., Perevalova O.B., Panin A.V., Martynov S.A. The Effect of Electron Beam Welding on the Microstructure and Microhardness of 3D-Printed Products from Titanium Alloy Ti–6A l–4V // Physics of Metals and Metallography. 2021. V. 122. P. 41—147.
  12. Navi N.U., Sabatani E. Hydrogen effects on electrochemically charged additive manufactured by electron beam melting (EBM) and wrought Ti–6Al–4V alloys // Int. J. of Hydrogen Energy. 2020. V. 45. P. 25523—25540.
  13. Brosh E., Navi N.U., Rozen B.A., Noam Eliaz. Microvoids in electrochemically hydrogenated titanium-based alloys // Intern. Journal of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. P. 27234—27242.
  14. Svetlizky D., Das M., Zheng B., Vyatskikh A., Bose S., Bandyopadhyay A., Julie M., Schoenung J.M., Enrique J., Lavernia E.J., Eliaz Noam. Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics defects, challenges and applications // Materials Today. 2021. V. 49. P. 271—295.
  15. Doğu M.N., Ezen Z., Davud K., Tan E. Microstructural and texture evolution during thermo-hydrogen processing of Ti6-Al-4V alloys produced by electron beam melting // Materials Characterization. 2020. V. 168. P. 110549.
  16. Bilgin G.M., Esen Z., Akın S.K., Dericioglu A.F. Optimization of the mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy fabricated by selective laser melting using thermohydrogen processes // Materials Science and Engineering. 2017. V. 700. P. 574—582.
  17. Callisti M., Karlik M., Polcar T. Competing mechanisms on the strength of ion-irradiated Zr/Nb nanoscale multilayers: Interface strength versus radiation hardening // Scripta Materialia. Acta Materialia Inc. 2018. V. 152. P. 31—35.
  18. Sen H.S., Polcar T. Vacancy-interface-helium interaction in Zr-Nb multi-layer system: A first-principles study // Journal of Nuclear Materials. 2019. V. 518. P. 11—20.
  19. Monclús M.A., Callisti M., Polcar T., Lozano-Perez S., Yang L.W., LLorca J., Molina- Ajdareguia J.M. Selective oxidation-induced strengthening of Zr/Nb nanoscale multilayers // Acta Materialia. 2017. V. 122. P. 1—10.
  20. Daghbouj D., Callisti M., Sen H.S., Karlic M., Cech J., Vronka M., Havranek V., Capec J., Minarec P., Bobar B., Polcar T. Interphase boundary layer-dominated strain mechanisms in Cu+ implanted Zr-Nb nanoscale multilayers // Acta Materialia. Acta Materialia Inc. 2021. V. 202. P. 317—330.
  21. Callisti M., Lozano-Perez S., Polcar T. Structural and mechanical properties of γ-irradiated Zr/Nb multilayer nanocomposites // Materials Letters. 2016. V. 163. P. 138—141.
  22. Frutos E., Polcar T., Callisti M., Karlik M. Length-scale-dependent mechanical behaviour of Zr/Nb multilayers as a function of individual layer thickness // Materials Science and Engineering A. 2015. V. 632. P.137—146.
  23. Monclús M.A., Callisti M., Polcar T., Yang L.W., Molina-Ajdareguia J.M., LLorca J. Effect of layer thickness on the mechanical behaviour of oxidation-strengthened Zr/Nb nanoscale multilayers // Journal of Materials Science. 2018. V. 53. P. 5860—5878.
  24. Варламов А.А., Кавокин А.В., Лукянчук И.А. Шарапов С.Г. Аномальные термоэлектрические и термомагнитные свойства графена // УФН. Т. 182. C. 1229—1234.
  25. Geim K.L. Status and Prospects // Science. 2009. V. 324. P. 1530.
  26. Grosse, K.L., Bae M.H., Lian F., King W.P. Nanoscale Joule heating, Peltier cooling and current crowding at graphene–metal contacts // Nature Nanotech. 2011. V. 6. P. 287—290.
  27. Pick M.A., Sonnenberg K.A. Model for atomic hydrogen-metal interactions—application to recycling, recombination and permeation // J. Nucl. Mater.1985. V. 131. P. 208—220.
  28. Serra E., Benamati G., Ogorodnikova O.V. Hydrogen isotopes transport parameters in fusion reactor materials // J. Nucl. Mater. 1998. V. 255. P. 105—115.
  29. Puls M.P. The effect of hydrogen and hydrides on the integrity of zirconium alloy components: delayed hydride cracking. London: Springer Science & Business Media, 1991. P. 237—246.
  30. Choudhuri G., Mukherjee P., Gayathri N., Kain V., Kumar M.K., Srivastava D., Basu S., Mukherjee D., Dey G.K. Effect of heavy ion irradiation and α+β phase heat treatment on oxide of Zr-2.5 Nb pressure tube material // J. Nucl. Mater. 2017. V. 489. P. 22—32.
  31. Xu F., Zhang X., Zhang H. A review on functionally graded structures and materials for energy absorption // Engineering Structures. 2018. V. 171. P. 309—325.
  32. Wang F., Li R., Ding C., Wan J., Yu R., Wang Z. Effect of catalytic Ni coating with different depositing time on the hydrogen storage properties of ZrCo alloy // Int. J. Hydrogen Energy 2016. V. 41. P. 17421—17432.
  33. Gao B., Hao S., Zou J., Wu W., Tu G., Dong C. Effect of high current pulsed electron beam treatment on surface microstructure and wear and corrosion resistance of an AZ91HP magnesium alloy // Surf. Coat. Technol. 2007. V. 201. P. 6297—6303.
  34. Чернов И.П., Иванова С.В., Крёнинг М.К., Коваль Н.В., Ларионов В.В., Лидер А.М., Степанова Е.Н., Степанова О.М., Черданцев Ю.П. Свойства и структурное состояние поверхностного слоя циркониевого сплава, модифицированного импульсным электронным пучком и насыщенного водородом // ЖТФ. 2012. Т. 57. С. 392—398.
  35. Lider A.M., Larionov V.V., Syrtanov M.S. Hydrogen concentration measurements at titanium layers by means of thermo-EMF // Key Eng. Mater. 2016. V. 683. P. 199—202.
  36. Askhatov A., Larionov V.V., Kudiyarov V.N. Analysis of hydrogenated zirconium alloys irradiated with gamma-rays // In MATEC Web of Conferences. 2017. V. 102. P. 1003—1006.
  37. Звягин И.П. Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках. М.: МГУ, 1984. 192 с.
  38. Демишев С.В., Кондрин М.В., Пирнин А.А., Случанко Н.Е., Самарин Н.А., Ляпин А.Г., Бискупский Дж. Термоэдс в области прыжковой проводимости: переход от формулы Мотта к формуле Звягина // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 68. С. 801—806.
  39. Моtt N.F., Davis E.A. Electronic processes in non-crystalline materials. Oxford University Press. 2nd ed. Edition. 2012. 608 р.
  40. Antonova Е.Е., Looman D.C. Finite elements for thermoelectric device analysis in ANSYS / Int. Conf. Thermoelectr. ICT, Proc. IEEE. 2005. P. 200—203.
  41. Lotkov A.I., Grishkov V.N., Laptev R. S., Mironov Yu. P., Zhapova D.Yu., Girsova N.V., Gusarenko A.A., Barmina E.G., Kashina O.N. Crystal Structure Defects in Titanium Nickelide after Abc pressing at Lowered Temperature // Materials. 2022. V. 15. P. 1—15.
  42. Callisti M., Karlik M., Polcar T. Competing mechanisms on the strength of ion-irradiated Zr/Nb nanoscale multilayers: Interface strength versus radiation hardening // Scripta Materialia. Acta Materialia Inc. 2018. V. 152. P. 31—35.
  43. Xu Shupeng, Larionov V.V., Soldatov A. and Chang Jianglei. Analysis for hydrogen concentration in titanium alloys using Multi-frequency eddy current // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2020. V. 70. P. 1001408.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024