The Effect of Low-Energy Nitrogen Ion Implantation on Surface Hardening and High-Temperature Oxidation of Niobium-Molybdenum Alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This study developed modes of surface modification of a niobium-molybdenum alloy by nitrogen ion implantation to investigate the effect of treatment on the alloy's protective properties during high-temperature oxidation. The chemical and phase composition of the modified surfaces was analyzed by X-ray spectral microanalysis and X-ray diffraction. The thickness of the implanted layer was determined by transmission electron microscopy. The results of the modulus of elasticity, microhardness, and nanohardness measurements of the alloy samples in their initial and nitrogen-implanted states are presented. The implanted and initial alloys were evaluated for resistance to high-temperature oxidation in air for 15, 30, and 60 minutes at a temperature of 900°C. The surface structure was examined, and the thickness of the oxide layer was determined after high-temperature oxidation tests using scanning electron microscopy. The specific weight gain of the samples was measured during the testing process. The results show that, in the ion implantation modes used, nitrogen concentrations of up to 39.3 at% are achieved at a depth of approximately 100 nm in the surface layer, with the formation of niobium nitrides. Moreover, the treatment enhances the alloy's mechanical properties, including an increase in the modulus of elasticity, microhardness, and nanohardness as well as improve the alloy's resistance to high-temperature oxidation, as evidenced by the formation of thinner oxide layers and a lower weight gain compared to the untreated alloy.

About the authors

R. V. Chekin

National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute); Luch Scientific Production Association

Email: ChekinRV@sialuch.ru
Moscow, 115409 Russia; Podolsk, 142103 Russia

P. S. Dzhumaev

National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, 115409 Russia

N. V. Potekhina

Luch Scientific Production Association; Lomonosov Moscow State University

Podolsk, 142103 Russia; Moscow, 119991 Russia

V. A. Chursin

National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, 115409 Russia

S. M. Irmagambetova

National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Moscow, 115409 Russia

References

  1. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей // Вестник Московского государственного технического ун-та им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № SP2. C. 13–19.
  2. Даутов С.С., Смыслов А.М. К вопросу обеспечения сопротивления высокотемпературной газовой коррозии лопаток ГТД из интерметаллидных сплавов системы Ti-Al // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. 2017. № 1(40). C. 138–141.
  3. Каблов Е.Н. (ред.). Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия М.: Наука, 2006. 632 с.
  4. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП “ВИАМ” ГНЦ РФ по реализации “Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года” // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1(34). C. 3–33.
  5. Tanaka R., Kasama A., Fujikura M., Iwanaga I., Tanaka H., Matsumura Y. Research and development of niobium-based superalloys for hot components of gas turbines // Proceeding of the International Gas Turbine Congress (November 2–7, 2003, Tokyo). Tokyo. GTSJ Publ. 2003. P. 1–5.
  6. Zhang Y., Fu T., Yu L., Cui K., Wang J., Shen F., Zhang X., Zhou K. Anti-corrosion coatings for protecting Nb-based alloys exposed to oxidation environments: a review // Met. Mater. Intern. 2023. V. 29. No. 1. P. 1–17.
  7. Кашин Д.С., Стехов П.А. Защитные покрытия для жаропрочных сплавов на основе ниобия // Труды ВИАМ. 2015. № 6. C. 1–6.
  8. Воробьёв В.Л., Гладышева В.С., Быков П.В., Быстров С.Г., Климова И.Н., Сюгаев А.В., Колотов А.А., Баянкин В.Я. Влияние поочередного облучения ионами О+ и N+ на состав, структуру и электрохимические свойства сплава системы Ti–Al–V // ФММ. 2024. Т. 125. № 5. C. 603–613.
  9. Гусева М.И., Гордеева Г.В. Имплантация ионов азота, углерода и фосфора в металлы // Атомная энергия. 1986. Т. 61. № 1. С. 47–48.
  10. Oliveira R.M., Hoshida L., Oliveira A.C., Silva M.M.N.F., Pichon L., Santos N.M. Evaluation of the resistance to oxidation of niobium treated by high temperature nitrogen plasma-based ion implantation // Surface Coatings Techn. 2017. V. 312. P. 110–116.
  11. Oliveira R.M., Oliveira A.C., Carreri F.C., Gomes G.F., Ueda M., Silva M.M.N.F., Pichon L., Tóth A. Detailed surface analyses and improved mechanical and tribological properties of niobium treated by high temperature nitrogen plasma-based ion implantation // Appl. Surface Sci. 2013. V. 283. P. 382–388.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».