Features of damage of surface layers of monocrystalline tungsten under the influence of powerful pulsed fluxes of helium ions and plasma

I. V. Borovitskaya; Боровицкая И. В.; V. N. Pimenov; Пименов В. Н.; S. A. Maslyaev; Масляев С. А.; A. S. Demin; Демин А. С.; E. V. Morozov; Морозов Е. В.; A. B. Mikhailova; Михайлова А. Б.; V. N. Serebryany; Серебряный В. Н.; A. S. Kolyanova; Колянова А. С.; G. G. Bondarenko; Бондаренко Г. Г.; A. I. Gaidar; Гайдар А. И.; E. V. Matveev; Матвеев Е. В.; I. P. Sasinovskaya; Сасиновская И. П.

doi:10.31857/S08695733250493103

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

Авторы: Боровицкая И.В.¹, Пименов В.Н.¹, Масляев С.А.¹, Демин А.С.¹, Морозов Е.В.¹, Михайлова А.Б.¹, Серебряный В.Н.¹, Колянова А.С.¹, Бондаренко Г.Г.², Гайдар А.И.³, Матвеев Е.В.³, Сасиновская И.П.¹
Учреждения:
1. ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН
2. Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"
3. Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий
Выпуск: № 4 (2025)
Страницы: 93-103
Раздел: Статьи
URL: https://bakhtiniada.ru/0869-5733/article/view/355894
DOI: https://doi.org/10.31857/S08695733250493103
ID: 355894

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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 H_μ по площади облученной поверхности.

Ключевые слова

вольфрам, монокристаллы, импульсные потоки ионов гелия и плазмы, установка Плазменный фокус, микроструктура, рентгеноструктурные исследования

Список литературы

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.
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.
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.
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.)
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.
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.
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.
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.
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.)
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.)
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.).
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.
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
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.
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.)
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.)
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.)
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.)
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.)
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.)
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.).
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

Имя пользователя
Пароль
Запомнить меня

Забыли пароль?	Регистрация

Имя пользователя
Пароль
Запомнить меня

Забыли пароль?	Регистрация

№ 5 (2025)

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

Полный текст

Аннотация

Ключевые слова

Об авторах

И. В. Боровицкая

В. Н. Пименов

С. А. Масляев

А. С. Демин

Е. В. Морозов

А. Б. Михайлова

В. Н. Серебряный

А. С. Колянова

Г. Г. Бондаренко

А. И. Гайдар

Е. В. Матвеев

И. П. Сасиновская

Список литературы

Дополнительные файлы