ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ РАДИАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ ОКСИДАМИ СТАЛЕЙ В УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ И УЛЬТРАМИКРОСКОПИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В работе исследованы наномасштабные механизмы радиационного упрочнения дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) жаропрочных сталей ЭП-450 ДУО и ЭП-823 ДУО в имитационных экспериментах на пучках ионов железа Fe²⁺ с энергией 5.6 МэВ при вариации доз радиационного повреждения до 100 сна и температур в диапазоне от 350 до 500°С. Микроструктура исходных и облученных материалов исследована методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-зондовой томографии. Упрочнение радиационно-модифицированного ионами слоя облученных образцов исследовано методом динамического индентирования. Анализ исходного состояния сталей показал, что в стали ЭП-450 ДУО содержится большее количество мелких оксидных частиц (до 20 нм) в сравнении со сталью ЭП-823 ДУО. Кроме того, в стали ЭП-450 ДУО обнаружено на два порядка больше ~10²³ м⁻³ наноразмерых кластеров Y–Ti–Cr–O, чем в стали ЭП-823 ДУО. При низких дозах облучения сталь ЭП-823 ДУО демонстрирует более высокий темп радиационного упрочнения при низких температурах облучения по сравнению со сталью ЭП-450 ДУО, а с повышением температуры темп охрупчивания уменьшается. Этот факт в значительной мере обусловлен образованием высокой плотности наноразмерных радиационно-индуцированных Ni–Mn–Si кластеров в стали ЭП-823 под воздействием облучения. Другие обнаруженные радиационно-индуцированные изменения: перестройка системы оксидов и Y–Ti–Cr–O кластеров, формирование кластеров, преимущественно обогащенных по Cr, а также образование дислокационных петель. Обнаружено, что по мере роста дозы облучения радиационное упрочнения стали ЭП-450 ДУО постепенно возрастает и, в целом, на больших дозах облучения обе стали демонстрируют близкое упрочнение.

1. Ukai S., Fujiwara M. // J. Nucl. Mater. 2002. V. 307311. P. 749.

2. Никитина А.А., Агеев В.С., Леонтьева-Смирнова М.В., Митрофанова Н.М., Науменко И.А., Целищев А.В., Чернов В.М. // Атомная энергия. 2015. Т. 119 (5). С. 292.

3. Ukai S., Ohtsuka S., Kaito T., De Carlan Y., Ribis J., Malaplate J. Oxide Dispersion-Strengthened FerriteMartensite Steels as Core Materials for Generation IV Nuclear Reactors, in book: Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors. 2017. P. 357.

4. De Carlan Y., Bechade J.-L., Dubuisson P. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386–388. P. 430.

5. Yvon P., Carré F. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 385. P. 217.

6. Jeong Y.H., Kim W.J., Kim D.J. // Proc. Eng. 2014. V. 86. P. 1.

7. Mateus R., Carvalho P.A., Nunes D. // Fus. Eng. Des. 2011. V. 86. P. 2386.

8. Kimura A., Cho H.-S., Toda N., Kasada R. // J. Nucl. Sci. Technol. 2007. V. 44 (3). P. 323

9. Ribis J., Bordas E., Trocellier P., Serruys Y., De Carlan Y., Legris A. // J. Mater. Res. 2015. V. 30. P. 2210.

10. Wharry J.P., Swenson M.J., Yano K.H. // J. Nucl. Mater. 2017. V. 486. P. 11.

11. Klimiankou M., Lindau R., Möslang A. // J. Nucl. Mater. 2004. V. 329–333. P. 347.

12. Klimiankou M., Lindau R., Moeslang A. // J. Cryst. Growth. 2003. V. 249. P. 381.

13. Агеев В.С., Вильданова Н.Ф., Козлов К.А., Кочеткова Т.Н., Никитина А.А., Сагарадзе В.В., Сафронов Б.В., Цвелев В.В., Чуканов А.П. // Физика металлов и металловедение. 2008. Т. 106 (3). С. 329.

14. Coppola R., Klimiankou M., Lindau R. // Phys. B: Cond. Mat. 2004. V. 350. P. 545.

15. Han Y.-S., Mao X., Jang J., Kim T.-K. // Appl. Phys. A. 2015. V. 119. P. 249.

16. Mathon M.H., Perrut M., Zhong S.Y., De Carlan Y. // J. Nucl. Mater. 2012. V. 428. P. 147.

17. Oono N., Ukai S. // Mater. Trans. 2018. V. 59 (10). P. 1651.

18. Рогожкин С.В., Горшкова Ю.Е., Бокучава Г.Д., Хомич А.А., Богачев А.А., Никитин А.А. // Ядерная физика и инжиниринг. 2022. Т. 13 (4). С. 317. [Rogozhkin S.V., Gorshkova Yu.E., Bokuchava G.D., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A. // Phys. At. Nucl. 2022. V. 85 (9). Р. 1467].

19. Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Klauz A.V., Bogachev A.A., Gorshkova Y.E., Bokuchava G.D., Nikitin A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Zaluzhny A.G. // J. Surf. Investig.: X-ray, Synchr. Neutron Tech. 2022. V. 16 (6). P. 1189.

20. Williams C.A., Marquis E.A., Cerezo A., Smith G.D.W. // J. Nucl. Mater. 2010. V. 400. P. 37.

21. Miller M.K., Hoelzer D.T., Kenik E.A., Russell K.F. // J. Nucl. Mater. 2004. V. 329–333. P. 338–341. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.085

22. Рогожкин С.В., Хомич А.А., Богачев А.А., Никитин А.А., Хорошилов В.В., Лукьянчук А.А., Разницын О.А., Шутов А.С., Васильев А.Л., Пресняков М.Ю. // Ядерная физика и инжиниринг. 2020. Т. 11 (1). С. 22–31. [Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Khoroshilov V.V., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Vasiliev A.L., Presniakov M.Yu. // Phys. At. Nucl. 2020. V. 83 (10). P. 1425–1433].

23. London A.J., Santra S., Amirthapandian S. // Acta Mater. 2015. V. 97. P. 223–233.

24. Schaaf B.V.D., Tavassoli A.-A.F., Fazio C., Rigal E. // Fusion Eng. Des. 2003. V. 69. P. 197.

25. Lindau R., Möslang A., Rieth M., Klimiankou M., Materna-Morris E. // Fusion Eng. Des. 2005. V. 75–79. P. 989.

26. Klimenkov M., Lindau R., Möslang A. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386–388. P. 553–556.

27. Rogozhkin S.V., Klauz A.V., Ke Yu., Almásy L., Nikitin A.A., Khomich A.A., Bogachev A.A., Gorshkova Yu.E., Bokuchava G.D., Kopitsa G.P., Sun L. // Nanomaterials. 2024. V. 14. P. 194.

28. Klueh R.L., Shingledecker J.P., Swindeman R.W., Hoelzer D.T. // J. Nucl. Mater. 2005. V. 341. P. 103.

29. Ukai S., Okuda T., Fujiwara M., Kobayashi T. // J. Nucl. Sci. Technol. 2002. V. 39. P. 872.

30. Rogozhkin S., Bogachev A., Korchuganova O., Nikitin A., Orlov N., Aleev A., Zaluzhnyi A., Kozodaev M., Kulevoy T., Chalykh B., Lindau R., Möslang A., Vladimirov P., Klimenkov M., Heilmaier M., Wagner J., Seils S. // Nucl. Mat. Energy. 2016. V. 9. P. 66.

31. Рогожкин С.В., Хомич А.А., Богачев А.А., Никитин А.А., Хорошилов В.В., Кулевой Т.В., Федин П.А., Прянишников К.Е., Лукьянчук А.А., Разницын О.А., Шутов А.С., Залужный А.Г., Васильев А.Л., Пресняков М.Ю. // Ядерная физика и инжиниринг. 2020. Т. 11 (2). С. 67. [Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Khoroshilov V. V., Kulevoy T.V., Fedin P.A., Pryanishnikov K.E., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Zaluzhnyi A.G., Vasiliev A.L., Presniakov M.Yu. // Phys. At. Nucl. 2020. V. 83 (11). Р. 1519].

32. Rogozhkin S.V., Klauz A.V., Bogachev A.A., Khomich A.A., Fedin P.A., Raznitsyn O.A. // J. Surf. Investig.: X-ray, Synchr. Neutron Tech. 2023. V. 17 (Suppl. 1). P. S289.

33. Nikitina A.A., Ageev V.S., Chukanov A.P., Tsvelev V.V., Porezanov N.P., Kruglov O.A. // J. Nucl. Mater. 2012. V. 428. P. 117.

34. Никитина А.А., Цветкова Е.В., Иванов К.А. // ВАНТ. Сер.: Материаловедение и новые материалы. 2018. № 4 (95). С. 30.

35. Рогожкин С.В., Никитин А.А., Хомич А.А., Искандаров Н.А., Хорошилов В.В., Богачев А.А., Лукьянчук А.А., Разницын О.А., Шутов А.С., Федин П.А., Куйбида Р.П., Кулевой Т.В., Васильев А.Л., Пресняков М.Ю., Кравчук К.С., Усейнов А.С. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т. 9 (3). С. 245. [Rogozhkin S.V., Nikitin A.A., Khomich A.A., Iskandarov N.A., Khoroshilov V.V., Bogachev A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Fedin P.A., Kuibeda R.P., Kulevoy T.V., Vasiliev A.L., Presniakov M.Yu., Kravchuk K.S., Useinov A.S. // Phys. At. Nucl. 2019. V. 82 (9). P. 1239].

36. Fedin P.A., Saratovskikh, M.S., Kuibeda, R.P., Sitnikov A.L., Kulevoy T.V., Nikitin, A.A., Rogozhkin, S.V // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1115. P. 032026

37. Kropachev G.N., Kuibeda R.P., Semennikov A.I., Aleev A.A., Fertman A.D., Kulevoy T.V., Nikitin A.A., Rogozhkin S.V., Cavenago M. // Proc. HIAT09. 2009. Venice, Italy. P. 236.

38. Рогожкин С.В., Никитин А.А., Хомич А.А., Искандаров Н.А., Хорошилов В.В., Лукьянчук А.А., Разницын О.А., Шутов А.С., Федин П.А., Кулевой Т.В., Васильев А.Л., Пресняков М.Ю. // Перспективные материалы. 2018. № 10. С. 25 [Rogozhkin S.V., Nikitin A.A., Khomich A.A., Iskandarov N.A., Khoroshilov V.V., Bogachev A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Kulevoy T.V., Fedin P.A., Vasiliev A.L., Presnyakov M.Yu. // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2019. V. 10 (2). P. 333].

39. Taller S., Coevering G. V., Wirth B. D., Was G.S. // Sci. Rep. 2021. V. 11. P. 2949.

40. Ziegler J.F., Ziegler M.D., Biersak J.P. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2010. V. 268. P. 1818–1823.

41. 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 (3). P. 428].

42. 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 (20.09.2018).

43. Bas P., Bostel A. // Appl. Surf. Sci. 1995. V. 87–88. P. 298.

44. Лукьянчук А.А., Алеев А.А., Шутов А.С., Разницын О.А., Кириллов С.Е., Рогожкин С.В. // Ядерная физика и инжиниринг. 2022. Т. 13 (1). С. 272. [Lukyanchuk A.A., Aleev A.A., Shutov A.S., Raznitsyn O.A., Kirillov C.E., Rogozhkin S.V. // Phys. At. Nucl. 2021. V. 84. P. 1836].

45. Шутов А.С., Лукьянчук А.А., Рогожкин С.В., Разницын О.А., Никитин А.А., Алеев А.А., Кириллов С.Е. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т. 9 (4). С. 371. [Shutov A.S., Lukyanchuk A.A., Rogozhkin S.V., Raznitsyn O.A., Nikitin A.A., Aleev A.A., Kirillov S.E. // Phys. At. Nucl. 2019. V. 82 (9). P. 1292].

46. Li X., Bhushan B. // Mater. Charact. 2002. V. 48. P. 11.

47. Nix W.D., Gao H. // J. Mech. Phys. Solids. 1998. V. 46. P. 411.

48. Manika I., Maniks J., Schwartz K. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41 (7). P. 074008.

49. Qian L., Li M., Zhou Z., Yang H., Shi X. // Surf. Coatings Technol. 2005. V. 195 (2–3). P. 264.

50. Jiao Z., Taller S., Field K., Yeli G., Moody M.P., Was G.S. // J. Nucl. Mater. 2018. V. 504 P. 122.

51. Yeli G., Strutt V.C.I., Auger M.A., Bagot P.A.J., Moody M.P. // J. Nucl. Mater. 2021. V. 543. P. 152466.

52. Kuleshova E.A., Gurovich B.A., Bukina Z.V., Frolov A.S., Maltsev D.A., Krikun E.V., Zhurko D.A., Zhuchkov G.M. // J. Nucl. Mater. 2017. V. 490. P. 247.

53. Xu Ch., Was G.S. // J. Nucl. Mater. 2014. V. 454. P. 255264.

54. Рогожкин С.В., Никитин А.А., Алеев А.А., Германов А.Б., Залужный А.Г. // Перспективные материалы. 2012. № 5. С. 45. [Rogozhkin S.V., Nikitin A.A., Aleev A.A., Germanov A.B., Zaluzhny A.G. // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2013. V. 4 (2). P. 112].

55. Wang K., Parish C.M., Field K.G., Tan L., Katoh Y. // J. Nucl. Mater. 2021. V. 547. P. 152834.

56. Field K.G., Littrell K.C., Briggs S.A. // Scr. Mater. 2018. V. 142. P. 41.

57. Rogozhkin S.V., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Vasiliev A.L., Presnyakov M.Yu., Tomut M., Trautmann Ch. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2021.V. 486. P. 1.