npeЯдерная физика и инжинирингNuclear Physics and Engineering2079-56292079-5637МИФИ10.1134/S2079562920010121npe-95Research ArticleПерспективные конструкционные материалыPromising Structural MaterialsДетальный анализ наноструктуры дисперсно-упрочненных оксидами сталей – перспективных материалов ядерных реакторовComprehensive Analysis of Nanostructure of Oxide Dispersion Strengthened Steels as Prospective Materials for Nuclear ReactorsРогожкинС. В.RogozhkinS. V.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218; Каширское ш. 31, Москва, 115409 

Moscow, 117218; Moscow, 115409

SVRogozhkin@mephi.ruХомичА. А.KhomichA. A.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218

Moscow, 117218

БогачевА. А.BogachevA. A.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218; Каширское ш. 31, Москва, 115409 

Moscow, 117218; Moscow, 115409

НикитинА. А.NikitinA. A.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218; Каширское ш. 31, Москва, 115409 

Moscow, 117218; Moscow, 115409

ЛукьянчукА. А.LukyanchukA. A.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218

Moscow, 117218

РазницынО. А.RaznitsynO. A.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218

Moscow, 117218

ШутовА. С.ShutovA. S.

ул. Большая Черемушкинская 25, Москва, 117218

Moscow, 117218

ВасильевА. Л.VasilievA. L.

пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182 ; Ленинский пр. 59, Москва, 119333

Moscow, 123182 ; Moscow, 119333

ПресняковМ. Ю.PresniakovM. Yu.

пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

Moscow, 123182

Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”РоссияAlikhanov Institute for Theoretical and Experimental Physics of the National Research Centre “Kurchatov Institute”; National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian FederationИнститут теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”РоссияAlikhanov Institute for Theoretical and Experimental Physics of the National Research Centre “Kurchatov Institute”Russian FederationНациональный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАНРоссияNational Research Centre “Kurchatov Institute”; Shubnikov Institute of Crystallography of the Federal Research Centre “Crystallography and Photonics” of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский центр “Курчатовский институт”РоссияNational Research Centre “Kurchatov Institute”Russian Federation2020230420241112231Copyright © Рогожкин С.В., Хомич А.А., Богачев А.А., Никитин А.А., Лукьянчук А.А., Разницын О.А., Шутов А.С., Васильев А.Л., Пресняков М.Ю., 20242024Рогожкин С.В., Хомич А.А., Богачев А.А., Никитин А.А., Лукьянчук А.А., Разницын О.А., Шутов А.С., Васильев А.Л., Пресняков М.Ю.Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Vasiliev A.L., Presniakov M.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://npe.elpub.ru/jour/article/view/95

Повышенные механические свойства дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) сталей обусловлены в основном высокой плотностью однородно распределенных оксидных включений. Хорошо известно, что некоторые легирующие элементы, такие как Ti, V, Al, … играют важную роль в образовании оксидов/нанокластеров и влияют на плотность и размер этих включений. В данной работе мы изучили широкий спектр ДУО сталей, содержащих различные легирующие элементы. Микроструктурный анализ выполнен методами просвечивающей электронной микроскопии и атомнозондовой томографии. В стали обнаружены различные типы включений: оксиды типа Y–Ti–O или Y–Al–O размерами ~2–15 нм, а также нанокластеры (2–5 нм), обогащенные по Y, O, Cr, а также по Ti, V, Al, если эти элементы присутствуют в материале. Было показано, что основной клад в упрочнение сталей вносят оксиды, и только в сталях Austenitic ODS и 14Cr ODS вклад кластеров оказался сопоставим с вкладом оксидов.

Increased mechanical properties of oxide dispersion strengthened (ODS) steels are mainly due to the high density of uniformly distributed oxide inclusions. It is well known that some alloying elements, such as Ti, V, Al, … play an important role in the formation of oxides/nanoclusters and affect the density and size of these inclusions. In this paper, a wide range of ODS steels containing various alloying elements are studied. Microstructural analysis was performed by transmission electron microscopy and atom probe tomography. Various types of inclusions were found in the steels: oxides of the Y–Ti–O or Y–Al–O types with sizes of ~2– 15 nm, as well as nanoclusters (2–5 nm) enriched in Y, O, Cr, as well as Ti, V, Al, if these elements were present in the material. It was shown that oxides contribute to the hardening of steels considerably, and clusters did comparable contribution with the contribution of oxides only in Austenitic ODS and 14Cr ODS steels.

дисперсно-упрочненная оксидами (ДУО) стальпросвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)атомно-зондовая томография (АЗТ)оксидная частицананокластерoxide dispersion strengthened (ODS) steeltransmission electron microscopy (TEM)atom probe tomography (APT)oxide particleclusterReferencesCarlan Y., Bechade J.-L., Dubuisson P., Seran J.-L., Billot P., Bougault A., Cozzika T., Doriot S., Hamon D., Henry J., Ratti M., Lochet N., Nunes D., Olier P., Leblond T., Mathon M.H. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386– 388. P. 430.Carlan Y., Bechade J.-L., Dubuisson P., Seran J.-L., Billot P., Bougault A., Cozzika T., Doriot S., Hamon D., Henry J., Ratti M., Lochet N., Nunes D., Olier P., Leblond T., Mathon M.H. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386– 388. P. 430.Jeong Y.H., Kim W.J., Kim D.J., Jang J., Kang S.H., Chun Y.-B., Kim T.K. // Proc. Eng. 2014. V. 86. P. 1.Jeong Y.H., Kim W.J., Kim D.J., Jang J., Kang S.H., Chun Y.-B., Kim T.K. // Proc. Eng. 2014. V. 86. P. 1.Mateus R., Carvalho P.A., Nunes D., Alves L.C., Franco N., Correia J.B., Alves E. // Fusion Eng. Des. 2011. V. 86. P. 2386.Mateus R., Carvalho P.A., Nunes D., Alves L.C., Franco N., Correia J.B., Alves E. // Fusion Eng. Des. 2011. V. 86. P. 2386.Kimura A., Cho H.-S., Toda N., Kasada R., Yutani K., Kishimoto H., Iwata N., Ukai S., Fujiwara M. // J. Nucl. Sci. Technol. 2007. V. 44. No. 3. P. 323.Kimura A., Cho H.-S., Toda N., Kasada R., Yutani K., Kishimoto H., Iwata N., Ukai S., Fujiwara M. // J. Nucl. Sci. Technol. 2007. V. 44. No. 3. P. 323.Wharry J.P., Swenson M.J., Yano K.H. // J. Nucl. Mater. 2017. V. 486. P. 11.Wharry J.P., Swenson M.J., Yano K.H. // J. Nucl. Mater. 2017. V. 486. P. 11.Coppola R., Klimiankou M., Lindau R., May R.P., Valli M. // Phys. B: Cond. Mat. 2004. V. 350. P. 545.Coppola R., Klimiankou M., Lindau R., May R.P., Valli M. // Phys. B: Cond. Mat. 2004. V. 350. P. 545.Han Y.-S., Mao X., Jang J., Kim T.-K. // Appl. Phys. A. 2015. V. 119. P. 249.Han Y.-S., Mao X., Jang J., Kim T.-K. // Appl. Phys. A. 2015. V. 119. P. 249.Williams C.A., Marquis E.A., Cerezo A., Smith G.D.W. // J. Nucl. Mater. 2010. V. 400. P. 37.Williams C.A., Marquis E.A., Cerezo A., Smith G.D.W. // J. Nucl. Mater. 2010. V. 400. P. 37.Aleev A.A, Iskandarov N.A., Klimenkov M., Lindau R., Möslang A., Nikitin A.A., Rogozhkin S.V., Vladimirov P., Zaluzhnyi A.G. // J. Nucl. Mater. 2011. V. 409. P. 65.Aleev A.A, Iskandarov N.A., Klimenkov M., Lindau R., Möslang A., Nikitin A.A., Rogozhkin S.V., Vladimirov P., Zaluzhnyi A.G. // J. Nucl. Mater. 2011. V. 409. P. 65.Рогожкин С.В., Богачев А.А., Кириллов Д.И., Никитин А.А., Орлов Н.Н., Алеев А.А., Залужный А.Г., Козодаев М.А. // Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. № 12. С. 1328; Rogozhkin S.V., Bogachev A.A., Kirillov D.I., Nikitin A.A., Orlov N.N., Aleev A.A., Zaluzhnyi A.G., Kozodaev M.A. // Phys. Met. Metallogr. 2014. V. 115. P. 1259.Рогожкин С.В., Богачев А.А., Кириллов Д.И., Никитин А.А., Орлов Н.Н., Алеев А.А., Залужный А.Г., Козодаев М.А. // Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. № 12. С. 1328; Rogozhkin S.V., Bogachev A.A., Kirillov D.I., Nikitin A.A., Orlov N.N., Aleev A.A., Zaluzhnyi A.G., Kozodaev M.A. // Phys. Met. Metallogr. 2014. V. 115. P. 1259.Schaaf B.v.d., Tavassoli A.-A.F., Fazio C., Rigal E., Diegele E., Lindau R., Marois G., Fusion Eng. Des. 2003. V. 69. P. 197.Schaaf B.v.d., Tavassoli A.-A.F., Fazio C., Rigal E., Diegele E., Lindau R., Marois G., Fusion Eng. Des. 2003. V. 69. P. 197.Lindau R., Möslang A., Rieth M., Klimiankou M., Materna-Morris E., Alamo A., Tavassoli A.-A.F., Cayron C., Lancha A.-M., Fernandez P., Baluc N., Schäublin R., Diegele E., Filacchioni G., Rensman J.W., Schaaf B.v.d., Lucon E., Dietz W. // Fusion Eng. Des. 2005. V. 75–79. P. 989.Lindau R., Möslang A., Rieth M., Klimiankou M., Materna-Morris E., Alamo A., Tavassoli A.-A.F., Cayron C., Lancha A.-M., Fernandez P., Baluc N., Schäublin R., Diegele E., Filacchioni G., Rensman J.W., Schaaf B.v.d., Lucon E., Dietz W. // Fusion Eng. Des. 2005. V. 75–79. P. 989.Ukai S., Fujiwara M. // J. Nucl. Mater. 2002. V. 307– 311. P. 749.Ukai S., Fujiwara M. // J. Nucl. Mater. 2002. V. 307– 311. P. 749.Рогожкин С.В., Орлов Н.Н., Никитин А.А., Алеев А.А., Залужный А.Г., Козодаев М.А., Lindau R., Möslang A., Vladimirov P. // Перспективные материалы. 2014. № 12. С. 38; Rogozhkin S.V., Orlov N.N., Nikitin A.A., Aleev A.A., Zaluzhny A.G., Kozodaev M.A., Lindau R., Möslang A., Vladimirov P. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2015. V. 6(2). P. 151.Рогожкин С.В., Орлов Н.Н., Никитин А.А., Алеев А.А., Залужный А.Г., Козодаев М.А., Lindau R., Möslang A., Vladimirov P. // Перспективные материалы. 2014. № 12. С. 38; Rogozhkin S.V., Orlov N.N., Nikitin A.A., Aleev A.A., Zaluzhny A.G., Kozodaev M.A., Lindau R., Möslang A., Vladimirov P. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2015. V. 6(2). P. 151.Gräning T., Rieth M., Hoffmann J., Seils S., Edmondson P.D., Möslang A. // J. Nucl. Mater. 2019. V. 516. P. 335.Gräning T., Rieth M., Hoffmann J., Seils S., Edmondson P.D., Möslang A. // J. Nucl. Mater. 2019. V. 516. P. 335.Jaumier T., Vincent S., Vincent L., Desmorat R. // J. Nucl. Mater. 2019. V. 518. P. 274.Jaumier T., Vincent S., Vincent L., Desmorat R. // J. Nucl. Mater. 2019. V. 518. P. 274.Xu S., Zhou Z., Jia H., Yao Z. // Steel Res. Int. 2018. V. 90. P. 1800594.Xu S., Zhou Z., Jia H., Yao Z. // Steel Res. Int. 2018. V. 90. P. 1800594.Klimenkov M., Lindau R., Möslang A. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386. P. 553.Klimenkov M., Lindau R., Möslang A. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386. P. 553.Bhattacharyya D., Dickerson P., Odette G.R., Maloy S.A., Misra A., Nastsi M. // Philos. Mag. 2012. V. 92. P. 2089.Bhattacharyya D., Dickerson P., Odette G.R., Maloy S.A., Misra A., Nastsi M. // Philos. Mag. 2012. V. 92. P. 2089.Hsiung L., Fluss M., Tumey S., Kuntz J., El-Dasher B., Wall M., Choi B., Kimura A., Willaime F., Serruys Y. // J. Nucl. Mater. 2011. V. 409. P. 72.Hsiung L., Fluss M., Tumey S., Kuntz J., El-Dasher B., Wall M., Choi B., Kimura A., Willaime F., Serruys Y. // J. Nucl. Mater. 2011. V. 409. P. 72.Oono N.H., Ukai S., Hayashi S., Ohtsuka S., Kaito T., Kimura A., Torimaru T., Sakamoto K. // J. Nucl. Mater. 2017. V. 493. P. 180.Oono N.H., Ukai S., Hayashi S., Ohtsuka S., Kaito T., Kimura A., Torimaru T., Sakamoto K. // J. Nucl. Mater. 2017. V. 493. P. 180.Song P., Kimura A., Yabuuchi K., Dou P., Watanabe H., Gao J., Huang Y.-J. // J. Nucl. Mater. 2020. V. 529 P. 151953.Song P., Kimura A., Yabuuchi K., Dou P., Watanabe H., Gao J., Huang Y.-J. // J. Nucl. Mater. 2020. V. 529 P. 151953.Рогожкин С.В., Алеев А.А., Лукьянчук А.А., Шутов А.С., Разницын О.А., Кириллов С.Е. // Приборы и техника эксперимента. 2017. № 3. С. 129; Rogozhkin S.V., Aleev A.A., Lukyanchuk A.A., Shutov A.S., Raznitsyn O.A., Kirillov S.E. // Instrum. Exp. Tech. 2017. V. 60. P. 428.Рогожкин С.В., Алеев А.А., Лукьянчук А.А., Шутов А.С., Разницын О.А., Кириллов С.Е. // Приборы и техника эксперимента. 2017. № 3. С. 129; Rogozhkin S.V., Aleev A.A., Lukyanchuk A.A., Shutov A.S., Raznitsyn O.A., Kirillov S.E. // Instrum. Exp. Tech. 2017. V. 60. P. 428.Разницын О.А., Лукьянчук А.А., Шутов А.С., Рогожкин С.В. и др.// Масс-спектрометрия. 2017. Т. 14. №. 1. С. 33; Raznitsyn O.A., Lukyanchuk A.A., Shutov A.S., Rogozhkin S.V. et al. // J. Anal. Chem. 2017. V. 72. No. 14. P. 1404.Разницын О.А., Лукьянчук А.А., Шутов А.С., Рогожкин С.В. и др.// Масс-спектрометрия. 2017. Т. 14. №. 1. С. 33; Raznitsyn O.A., Lukyanchuk A.A., Shutov A.S., Rogozhkin S.V. et al. // J. Anal. Chem. 2017. V. 72. No. 14. P. 1404.Алеев A.А., Рогожкин С.В., Лукьянчук А.А., Шутов А.С., Разницын О.А., Никитин А.А., Искандаров Н.А., Корчуганова О.А., Кириллов С.Е. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018661876 (20 сентября 2018 г.). https://www1.fips.ru/ofpstorage/Doc/IZPM/RUNWC1/000/000/002/702/112/%D0%98%D0%97- 02702112-00001/document.pdfАлеев A.А., Рогожкин С.В., Лукьянчук А.А., Шутов А.С., Разницын О.А., Никитин А.А., Искандаров Н.А., Корчуганова О.А., Кириллов С.Е. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018661876 (20 сентября 2018 г.). https://www1.fips.ru/ofpstorage/Doc/IZPM/RUNWC1/000/000/002/702/112/%D0%98%D0%97- 02702112-00001/document.pdfBas P., Bostel A., Deconihout B., Blavette D. // Appl. Surf. Sci. 1995. V. 87. P. 298.Bas P., Bostel A., Deconihout B., Blavette D. // Appl. Surf. Sci. 1995. V. 87. P. 298.Miller M.K. Atom Probe Tomography: Analysis at the Atomic Level. 2000. New York: Kluwer Academic.Miller M.K. Atom Probe Tomography: Analysis at the Atomic Level. 2000. New York: Kluwer Academic.Cerezo A., Davin L. // Surf. Interface Anal. 2007. V. 39. P. 184.Cerezo A., Davin L. // Surf. Interface Anal. 2007. V. 39. P. 184.Lucas G.E. // J. Nucl. Mater. 1993. V. 206. P. 287.Lucas G.E. // J. Nucl. Mater. 1993. V. 206. P. 287.Ijiri Y., Oono N., Ukai S., Ohtsuka S., Kaito T., Matsukawa Y. // Nucl. Mater. Energy. 2016. V. 9. P. 378.Ijiri Y., Oono N., Ukai S., Ohtsuka S., Kaito T., Matsukawa Y. // Nucl. Mater. Energy. 2016. V. 9. P. 378.Gil E., Ordás N., García-Rosales C., Iturriza I. // Fusion Eng. Des. 2015. V. 98–99. P. 1973.Gil E., Ordás N., García-Rosales C., Iturriza I. // Fusion Eng. Des. 2015. V. 98–99. P. 1973.Swenson M.J., Dolph C.K., Wharry J.P. // J. Nucl. Mater. 2016. V. 479. P. 426.Swenson M.J., Dolph C.K., Wharry J.P. // J. Nucl. Mater. 2016. V. 479. P. 426.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.