НИКЕЛЬ НЕГІЗІНДЕГІ ЖОҒАРЫ ЭНТРОПИЯЛЫҚ ҚОРЫТПАЛАРДЫҢ РАДИАЦИЯЛЫҚ СЕГРЕГАЦИЯСЫН ЗЕРТТЕУ ҮШІН РЕЗЕРФОРДТЫҢ КЕРІ ШАШЫРАУЫ ӘДІСІН ҚОЛДАНУ

Бұл зерттеуде бөлме температурасында энергиясы 40 кэВ He2+ гелий иондарымен сәулелендірілген CoCrFeNi, CoCrFeMnNi жоғары энтропиялық қорытпалардың (ЖЭҚ) радиациялық сегрегациясы зерттелді. ЖЭҚ-дың элементтерінің концентрацияларының өзгеруі және олардың тереңдікте таралуы Резерфордтың Кері Шашырауы (РКШ) және энергодисперсиялық рентгендік спектроскопия (ЭДС) әдістерімен зерттелді. РКШ және ЭДС әдістерімен жасалған өлшеулер сәулелендірілмеген ЖЭҚ-дың эквиатомдық құрамға жақын екенін көрсетті, мұнда CoCrFeNi-дің орташа концентрациясы 24,8 атомдық пайыз (ат.%), ал CoCrFeMnNi үшін – 20 ат.%. ЭДС нәтижелері Ni/Co концентрацияларының РКШ-нан айтарлықтай ерекшеленді және сәулелендіруден кейін екі ЖЭҚ-да элементтердің таралуында елеулі өзгерістер болмағанын көрсетті. РКШ деректеріне сәйкес, екі ЖЭҚдың сәулелендіру кезінде концентрацияларының ең үлкен өзгерістері Ni атомдарымен байытылуына қатысты болғаны анықталды. CoCrFeNi-де сәулелендіру кезінде Ni/Co атомдары ең үлкен сегрегацияға ұшырайды, ал CoCrFeMnNi-де Ni/Co/Fe концентрациялары айтарлықтай өзгереді. CoCrFeMnNi-де сәулелендіру флюенсінің жоғарылауымен элементтерінің концентрациясының өзгеруі CoCrFeNi-ге қарағанда айқынырақ болды. CoCrFeMnNi-де екі флюенсте барлық элементтерінің концентрацияларының өзгерулері 0,5–17%-ға (0,1– 3,1 ат.%) жетіп, CoCrFeNi-дегі 2–11%-дан (0,5–1,9 ат.%) асып түсті. Осы жағдайларда гелий иондарымен сәулелендіру кезінде сегрегацияға төзімділіктің CoCrFeMnNi үшін CoCrFeNi-ге қарағанда төмен екендігі анықталды. CoCrFeNi және CoCrFeMnNi-де Co, Fe, Cr және Mn концентрацияларының өзгерістері басқа зерттеулердегі ұқсас дозалы никель иондарымен сәулелендірген кезде және никельдің жартылай балқу температурасына жақын температурада, ақау кластерлерінің және құймаларының жанындағы өзгерістерге қарағанда айтарлықтай аз болды. РКШ зерттеуі гелий иондарымен сәулелендіру кезінде CoCrFeNi, CoCrFeMnNi-де тереңдікте атомдардың біркелкі таралуын және сегрегацияға төзімділігін көрсетті.

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.