nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2024-2-74-83nuc-643Research ArticleСтатьиПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РЕЗЕРФОРДОВСКОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СЕГРЕГАЦИИ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯAPPLICATION OF RUTHERFORD BACKSCATTERING METHOD FOR STUDYING RADIATION-INDUCED SEGREGATION OF HIGH-ENTROPY NICKEL-BASED ALLOYShttps://orcid.org/0000-0002-3598-1633АманжуловБ. С.AmanzhulovB. S.

инженер Астанинского филиала ИЯФ, докторант ЕНУ имени Л.Н. Гумилева, Алматы;

Астана

Almaty

amanzhulov_bs_1@enu.kzИвановИ. А.IvanovI. A.

начальник циклотрона ДЦ-60, Алматы;

Астана

Almaty

igor.ivanov.inp@gmail.comРыскуловА. Е.RyskulovA. E.

Алматы

Almaty

ryskulov_nbd@mail.ruУгловВ. В.UglovV. V.

Минск

Minsk

uglov@bsu.byКурахмедовА. Е.KurakhmedovA. E.

Алматы;

Астана

Almaty

kurahmedov.alisher@gmail.comСапарА. Д.SaparA. D.

Алматы;

Астана

Almaty

Sapar2603@gmail.comУнгарбаевЕ. О.UngarbayevY. O.

Алматы;

Астана

Almaty

ye1.7ung@gmail.comКолобердинМ. В.KoloberdinM. V.

Алматы;

Астана

Almaty

koloberdin@inp.kzРГП «Институт ядерной физики» МЭ РК; НАО «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева»КазахстанRSE «Institute of nuclear physics» ME RK; NJSC “L.N. Gumilyov Eurasian National University”KazakhstanРГП «Институт ядерной физики» МЭ РККазахстанRSE «Institute of nuclear physics» ME RKKazakhstanБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus202430062024027483Copyright © Аманжулов Б.С., Иванов И.А., Рыскулов А.Е., Углов В.В., Курахмедов А.Е., Сапар А.Д., Унгарбаев Е.О., Колобердин М.В., 20242024Аманжулов Б.С., Иванов И.А., Рыскулов А.Е., Углов В.В., Курахмедов А.Е., Сапар А.Д., Унгарбаев Е.О., Колобердин М.В.Amanzhulov B.S., Ivanov I.A., Ryskulov A.E., Uglov V.V., Kurakhmedov A.E., Sapar A.D., Ungarbayev Y.O., Koloberdin M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/643

В данном исследовании была изучена радиационная сегрегация в высокоэнтропийных сплавах (ВЭС) CoCrFeNi, CoCrFeMnNi, облученных ионами гелия He2+ с энергией 40 кэВ при комнатной температуре. Изменения концентраций элементов ВЭС и их распределений по глубине изучались методами Резерфордовского обратного рассеяния (РОР) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Измерения методами РОР и ЭДС показали, что необлученные ВЭС обладают близким к эквиатомному составом, где средняя концентрация для CoCrFeNi равна 24,8 атомных процентов (ат.%), а для CoCrFeMnNi – 20 ат.%. Результаты ЭДС существенно отличались от РОР в концентрациях Ni/Co, и указали на отсутствие значительных изменений распределения элементов в обоих ВЭС после облучения. Согласно данным РОР, наибольшие изменения концентраций при облучении в обоих ВЭС относятся к обогащению атомами Ni. В CoCrFeNi при облучении наибольшей сегрегации подвергаются атомы Ni/Co, а в CoCrFeMnNi значительно меняются концентрации Ni/Co/Fe. В CoCrFeMnNi сильнее чем в CoCrFeNi проявилось изменение концентраций элементов с ростом флюенса облучения. В CoCrFeMnNi изменения концентраций всех элементов при обоих флюенсах достигали 0,5–17% (0,1–3,1 ат.%) и превысили изменения в CoCrFeNi, достигавшие 2–11% (0,5–1,9 ат.%). Было установлено, что устойчивость к сегрегации при облучении ионами гелия в данных условиях у CoCrFeMnNi была ниже, чем у CoCrFeNi. В обоих ВЭС изменения концентраций Co, Fe, Cr, Mn были значительно меньше, чем изменения около стоков и кластеров дефектов при облучении ионами никеля со схожими дозами в других исследованиях при температурах близких к температуре полуплавления никелевых ВЭС. Исследование методом РОР показало равномерное распределение атомов по глубине и устойчивость к сегрегации в CoCrFeNi, CoCrFeMnNi при облучении ионами гелия.

In this study, radiation-induced segregation was studied in high-entropy alloys (HEA) CoCrFeNi, CoCrFeMnNi, irradiated with helium ions He2+ with an energy of 40 keV at room temperature. Changes in the concentrations of HEAs and their depth distributions were studied by Rutherford Backscattering (RBS) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) methods. Measurements using the RBS and EDS methods showed that non-irradiated HEAs have a composition close to equiatomic, where the average concentration for CoCrFeNi is 24.8 atomic percents (at.%), and for CoCrFeMnNi – 20 at.%. The EDS results were significantly different from the RBS in Ni/Co concentrations, and indicated no significant changes in element distribution in both HEAs after irradiation. According to the RBS data, the largest changes in concentrations during irradiation in both HEAs relate to the enrichment of Ni atoms. In CoCrFeNi, upon irradiation, Ni/Co atoms undergo the greatest segregation, and in CoCrFeMnNi, the Ni/Co/Fe concentrations change significantly. In CoCrFeMnNi, the change in element concentrations with increasing irradiation fluence was more pronounced than in CoCrFeNi. In CoCrFeMnNi, changes in concentrations of all elements at both fluences reached 0.5–17% (0.1–3.1 at.%) and exceeded changes in CoCrFeNi, which reached 2–11% (0.5–1.9 at.%). It was found that the resistance to segregation when irradiated with helium ions under these conditions was lower for CoCrFeMnNi than for CoCrFeNi. In CoCrFeNi and CoCrFeMnNi, changes in the concentrations of Co, Fe, Cr, and Mn were significantly less than changes near sinks and defect clusters when irradiated with nickel ions with similar doses in other studies at temperatures close to the halfmelting temperature of nickel HEAs. The RBS study showed a uniform distribution of atoms in depth and resistance to segregation in CoCrFeNi, CoCrFeMnNi when irradiated with helium ions.

высокоэнтропийные сплавырадиационная стойкостьсегрегацияРезерфордовсское обратное рассеяниеэлементный анализускорительhigh-entropy alloysradiation resistancesegregationRutherford Back Scatteringelemental analysisacceleratorДанное исследование финансировалось Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № AP14872199) и Министерством энергетики Республики Казахстан (Программа BR23891530 «Развитие комплексных научных исследований в области ядерной и радиационной физики на базе казахстанских ускорительных комплексов»).ReferencesВоеводин В. Н. Конструкционные материалы ядерной энергетики – вызов 21 века // Вопросы атомной науки и техники. – 2007. – № 2. – С. 10–22.Voevodin V. N. Konstruktsionnye materialy yadernoy energetiki – vyzov 21 veka // Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. – 2007. – No. 2. – P. 10–22. (In Russ.)Zinkle S. J., Was G. S. Materials challenges in nuclear energy // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, No. 3. – P. 735–758.Zinkle S. J., Was G. S. Materials challenges in nuclear energy // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, No. 3. – P. 735–758.Zhang Z., Armstrong D. E. J., Grant P. S. The effects of irradiation on CrMnFeCoNi high-entropy alloy and its derivatives // Progress in Materials Science. – 2022. – Vol. 123. – P. 100807.Zhang Z., Armstrong D. E. J., Grant P. S. The effects of irradiation on CrMnFeCoNi high-entropy alloy and its derivatives // Progress in Materials Science. – 2022. – Vol. 123. – P. 100807.Fukuya K. Current understanding of radiation-induced degradation in light water reactor structural materials // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2013. – Vol. 50, No. 3. – P. 213–254.Fukuya K. Current understanding of radiation-induced degradation in light water reactor structural materials // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2013. – Vol. 50, No. 3. – P. 213–254.High-Entropy Alloys / ed. by M. C. Gao, J.-W. Yeh, P. K. Liaw, Y. Zhang. Cham: Springer International Publishing, 2016. – 515 p.High-Entropy Alloys / ed. by M. C. Gao, J.-W. Yeh, P. K. Liaw, Y. Zhang. Cham: Springer International Publishing, 2016. – 515 p.Lu C., Yang T., Jin K., Gao N., Xiu P., Zhang Y., Gao F., Bei H., Weber W. J., Sun K., Dong Y., Wang L. Radiation-induced segregation on defect clusters in single-phase concentrated solid-solution alloys // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 127. – P. 98–107.Lu C., Yang T., Jin K., Gao N., Xiu P., Zhang Y., Gao F., Bei H., Weber W. J., Sun K., Dong Y., Wang L. Radiation-induced segregation on defect clusters in single-phase concentrated solid-solution alloys // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 127. – P. 98–107.Barr C. M., Nathaniel J. E., Unocic K. A., Liu J., Zhang Y., Wang Y., Taheri M. L. Exploring radiation induced segregation mechanisms at grain boundaries in equiatomic CoCrFeNiMn high entropy alloy under heavy ion irradiation // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 156. – P. 80–84.Barr C. M., Nathaniel J. E., Unocic K. A., Liu J., Zhang Y., Wang Y., Taheri M. L. Exploring radiation induced segregation mechanisms at grain boundaries in equiatomic CoCrFeNiMn high entropy alloy under heavy ion irradiation // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 156. – P. 80–84.El-Atwani O., Li N., Li M., Devaraj A., Baldwin J. K. S., Schneider M. M., Sobieraj D., Wróbel J. S., Nguyen-Manh D., Maloy S. A., Martinez E. Outstanding radiation resistance of tungsten-based high-entropy alloys // Science Advances. – 2019. – Vol. 5, No. 3. – P. eaav2002.El-Atwani O., Li N., Li M., Devaraj A., Baldwin J. K. S., Schneider M. M., Sobieraj D., Wróbel J. S., Nguyen-Manh D., Maloy S. A., Martinez E. Outstanding radiation resistance of tungsten-based high-entropy alloys // Science Advances. – 2019. – Vol. 5, No. 3. – P. eaav2002.Zhang Y., Wang L., Weber W. J. Charged particles: Unique tools to study irradiation resistance of concentrated solid solution alloys // Journal of Materials Science & Technology. – 2023. – Vol. 140. – P. 260–276.Zhang Y., Wang L., Weber W. J. Charged particles: Unique tools to study irradiation resistance of concentrated solid solution alloys // Journal of Materials Science & Technology. – 2023. – Vol. 140. – P. 260–276.Tuomisto F., Makkonen I., Heikinheimo J., Granberg F., Djurabekova F., Nordlund K., Velisa G., Bei H., Xue H., Weber W. J., Zhang Y. Segregation of Ni at early stages of radiation damage in NiCoFeCr solid solution alloys // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 196. – P. 44–51.Tuomisto F., Makkonen I., Heikinheimo J., Granberg F., Djurabekova F., Nordlund K., Velisa G., Bei H., Xue H., Weber W. J., Zhang Y. Segregation of Ni at early stages of radiation damage in NiCoFeCr solid solution alloys // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 196. – P. 44–51.Pogrebnjak A. D., Yakushchenko I. V., Bondar O. V., Beresnev V. M., Oyoshi K., Ivasishin O. M., Amekura H., Takeda Y., Opielak M., Kozak C. Irradiation resistance, microstructure and mechanical properties of nanostructured (TiZrHfVNbTa)N coatings // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 679. – P. 155–163.Pogrebnjak A. D., Yakushchenko I. V., Bondar O. V., Beresnev V. M., Oyoshi K., Ivasishin O. M., Amekura H., Takeda Y., Opielak M., Kozak C. Irradiation resistance, microstructure and mechanical properties of nanostructured (TiZrHfVNbTa)N coatings // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 679. – P. 155–163.Chu W.-K. Backscattering spectrometry / W.-K. Chu, J. W. Mayer, M.-A. Nicolet. – New York: Academic Press, 1978. – 384 p.Chu W.-K. Backscattering spectrometry / W.-K. Chu, J. W. Mayer, M.-A. Nicolet. – New York: Academic Press, 1978. – 384 p.Ташлыкова-Бушкевич И. И. Метод Резерфордовского обратного рассеяния при анализе состава твердых тел / И. И. Ташлыкова-Бушкевич. – Минск: БГУИР, 2003. – 52 с.Tashlykova-Bushkevich I. I. Metod Rezerfordovskogo obratnogo rasseyaniya pri analize sostava tverdykh tel / I. I. Tashlykova-Bushkevich. – Minsk: BGUIR, 2003. – 52 p. (In Russ.)Instrumentation for PIXE and RBS [Электронный ресурс]. – IAEA, 2000. – Режим доступа: https://wwwpub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/te_1190_prn.pdf. – Дата обращения: 24.05.2023.Instrumentation for PIXE and RBS [Электронный ресурс]. – IAEA, 2000. – Режим доступа: https://wwwpub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/te_1190_prn.pdf. – Дата обращения: 24.05.2023.Физическое материаловедение: Учебник для вузов: в 6 т. / Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008. – Т. 3: Методы исследования структурно-фазового состояния материалов / Н. В. Волков, В. И. Скрытный, В. П. Филиппов, В. Н. Яльцев – 808 с.Fizicheskoe materialovedenie: Uchebnik dlya vuzov: V 6 t. / Pod obshchey red. B.A. Kalina. – M.: MIFI, 2008. – T. 3: Metody issledovaniya strukturno-fazovogo sostoyaniya materialov / N. V. Volkov, V. I. Skrytnyy, V. P. Filippov, V. N. Yal'tsev – 808 p. (In Russ.)Wassilkowska A., Czaplicka-Kotas A., Bielski A., Zielina M. An analysis of the elemental composition of microsamples using EDS technique // Technical Transactions. Chemistry. – 2014. – No. 18. – P. 138–144.Wassilkowska A., Czaplicka-Kotas A., Bielski A., Zielina M. An analysis of the elemental composition of microsamples using EDS technique // Technical Transactions. Chemistry. – 2014. – No. 18. – P. 138–144.Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis / Goldstein J. I., Newbury D. E., Echlin P., Joy D. C., Lyman C. E., Lifshin E., Sawyer L., Michael J. R. – 3rd ed. – Boston, MA: Springer US, 2003. – 689 p.Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis / Goldstein J. I., Newbury D. E., Echlin P., Joy D. C., Lyman C. E., Lifshin E., Sawyer L., Michael J. R. – 3rd ed. – Boston, MA: Springer US, 2003. – 689 p.Amanzhulov B., Ivanov I., Uglov V., Zlotski S., Ryskulov A., Kurakhmedov A., Koloberdin M., Zdorovets M. Composition and Structure of NiCoFeCr and NiCoFeCrMn High-Entropy Alloys Irradiated by Helium Ions // Materials. – 2023. – Vol. 16, No. 10. – P. 3695.Amanzhulov B., Ivanov I., Uglov V., Zlotski S., Ryskulov A., Kurakhmedov A., Koloberdin M., Zdorovets M. Composition and Structure of NiCoFeCr and NiCoFeCrMn High-Entropy Alloys Irradiated by Helium Ions // Materials. – 2023. – Vol. 16, No. 10. – P. 3695.Doolittle L. R. Algorithms for the rapid simulation of Rutherford backscattering spectra // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 1985. – Vol. 9, No. 3. – P. 344–351.Doolittle L. R. Algorithms for the rapid simulation of Rutherford backscattering spectra // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 1985. – Vol. 9, No. 3. – P. 344–351.Otto F., Dlouhý A., Pradeep K. G., Kuběnová M., Raabe D., Eggeler G., George E. P. Decomposition of the singlephase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 112. – P. 40–52.Otto F., Dlouhý A., Pradeep K. G., Kuběnová M., Raabe D., Eggeler G., George E. P. Decomposition of the singlephase high-entropy alloy CrMnFeCoNi after prolonged anneals at intermediate temperatures // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 112. – P. 40–52.Fan Z., Zhong W., Jin K., Bei H., Osetsky Y. N., Zhang Y. Diffusion-mediated chemical concentration variation and void evolution in ion-irradiated NiCoFeCr high-entropy alloy // Journal of Materials Research. – 2021. – Vol. 36, No. 1. – P. 298–310.Fan Z., Zhong W., Jin K., Bei H., Osetsky Y. N., Zhang Y. Diffusion-mediated chemical concentration variation and void evolution in ion-irradiated NiCoFeCr high-entropy alloy // Journal of Materials Research. – 2021. – Vol. 36, No. 1. – P. 298–310.Zhang Y., Wang X., Osetsky Y. N., Tong Y., Harrison R., Donnelly S. E., Chen D., Wang Y., Bei H., Sales B. C., More K. L., Xiu P., Wang L., Weber W. J. Effects of 3d electron configurations on helium bubble formation and void swelling in concentrated solid-solution alloys // Acta Materialia. – 2019. – Vol. 181. – P. 519–529.Zhang Y., Wang X., Osetsky Y. N., Tong Y., Harrison R., Donnelly S. E., Chen D., Wang Y., Bei H., Sales B. C., More K. L., Xiu P., Wang L., Weber W. J. Effects of 3d electron configurations on helium bubble formation and void swelling in concentrated solid-solution alloys // Acta Materialia. – 2019. – Vol. 181. – P. 519–529.Jia N., Li Y., Huang H., Chen S., Li D., Dou Y., He X., Yang W., Xue Y., Jin K. Helium bubble formation in refractory single-phase concentrated solid solution alloys under MeV He ion irradiation // Journal of Nuclear Materials. – 2021. – Vol. 550. – P. 152937.Jia N., Li Y., Huang H., Chen S., Li D., Dou Y., He X., Yang W., Xue Y., Jin K. Helium bubble formation in refractory single-phase concentrated solid solution alloys under MeV He ion irradiation // Journal of Nuclear Materials. – 2021. – Vol. 550. – P. 152937.Chen D., Tong Y., Li H., Wang J., Zhao Y. L., Hu A., Kai J. J. Helium accumulation and bubble formation in FeCoNiCr alloy under high fluence He+ implantation // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 501. – P. 208–216.Chen D., Tong Y., Li H., Wang J., Zhao Y. L., Hu A., Kai J. J. Helium accumulation and bubble formation in FeCoNiCr alloy under high fluence He+ implantation // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 501. – P. 208–216.Huang S. S., Guan H. Q., Zhong Z. H., Miyamoto M., Xu Q. Effect of He on the irradiation resistance of equiatomic CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Journal of Nuclear Materials. – 2022. – Vol. 561. – P. 153525.Huang S. S., Guan H. Q., Zhong Z. H., Miyamoto M., Xu Q. Effect of He on the irradiation resistance of equiatomic CoCrFeMnNi high-entropy alloy // Journal of Nuclear Materials. – 2022. – Vol. 561. – P. 153525.Ziegler J. F., Ziegler M. D., Biersack J. P. SRIM – The stopping and range of ions in matter (2010) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2010. – Vol. 268, No. 11–12. – P. 1818–1823.Ziegler J. F., Ziegler M. D., Biersack J. P. SRIM – The stopping and range of ions in matter (2010) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2010. – Vol. 268, No. 11–12. – P. 1818–1823.

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