ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РЕЗЕРФОРДОВСКОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СЕГРЕГАЦИИ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

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.

1. Воеводин В. Н. Конструкционные материалы ядерной энергетики – вызов 21 века // Вопросы атомной науки и техники. – 2007. – № 2. – С. 10–22.

2. Zinkle S. J., Was G. S. Materials challenges in nuclear energy // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, No. 3. – P. 735–758.

3. 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.

4. 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.

5. High-Entropy Alloys / ed. by M. C. Gao, J.-W. Yeh, P. K. Liaw, Y. Zhang. Cham: Springer International Publishing, 2016. – 515 p.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Chu W.-K. Backscattering spectrometry / W.-K. Chu, J. W. Mayer, M.-A. Nicolet. – New York: Academic Press, 1978. – 384 p.

13. Ташлыкова-Бушкевич И. И. Метод Резерфордовского обратного рассеяния при анализе состава твердых тел / И. И. Ташлыкова-Бушкевич. – Минск: БГУИР, 2003. – 52 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.