ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ЖИДКОФАЗНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ

Настоящее исследование посвящено изучению влияния плазменного жидкофазного легирования на физико-механические свойства приповерхностного слоя вольфрама и его сплавов. Экспериментальные образцы вольфрама с покрытиями из меди и циркония подвергались воздействию компрессионными плазменными потоками (КПП). Элементный состав образцов определялся методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС), а деформация кристаллической решетки и остаточные напряжения оценивались методом рентгеновской дифракции. Результаты ЭДС показали, что плазменное воздействие приводит к формированию однородного сплава вольфрама и циркония в приповерхностном слое. Обработка вольфрама КПП вызывает увеличение уровня деформации решетки. В приповерхностном слое W-КПП обнаружены растягивающие напряжения величиной до 6 ГПа, тогда как для системы легированной медью W-Cu наблюдаются сжимающие напряжения, стремящиеся к нулю. Для системы W-Zr максимальные растягивающие напряжения достигают около 5–6 ГПа. Установлено, что введение меди в вольфрам существенно снижает уровень остаточных внутренних напряжений по сравнению с легированием цирконием. Полученные результаты могут способствовать разработке новых сплавов вольфрама с улучшенными эксплуатационными характеристиками для применения в термоядерной энергетике и других областях.

1. Chektybayev B., Sadykov A., Batyrbekov E., Skakov M., Zarva D., Tazhibayeva I., Korovikov A., Kashikbayev Ye., Olkhovik D., Savkin V., Khvostenko P., Belbas I., Sergeyev D., Kavin A., Lee A., Pavlov V. Study of breakdown and plasma formation in the KTM tokamak with the massive conductive vacuum chamber // Fusion Engineering and Design. – 2021. – Vol. 163. – P. 112167.

2. Tokunaga K., Baldwin M.J., Doerner R.P., Noda N., Kubota Y., Yoshida N., Sogabe T., Kato T., Schedler B. Blister formation and deuterium retention on tungsten exposed to low energy and high flux deuterium plasma // Journal of Nuclear Materials. – 2005. – Vol. 337-339. – P. 887–891.

3. Yoshida N., Iwakiri H., Tokunaga K., Baba T. Impact of low energy helium irradiation on plasma facing metals // Journal of Nuclear Materials. – 2005. – Vol. 337-339. – P. 946–950.

4. Zenobia S.J., Kulcinski G.L. Retention and surface pore formation in helium implanted tungsten as a fusion first wall material // Fusion Science and Technology. – 2009. – Vol. 56. – P. 352–360.

5. Baldwin M.J., Doerner R.P. Formation of helium induced nanostructure ‘fuzz’ on various tungsten grades // Journal of Nuclear Materials. – 2010. – Vol. 404 (3). – P. 165– 173.

6. Petty T.J., Baldwin M.J., Hasan M.I., Doerner R.P., Bradley J.W. Tungsten ‘fuzz’ growth re-examined: the dependence on ion fluence in non-erosive and erosive helium plasma // Nuclear Fusion. – 2015. – Vol. 55. – P. 093033.

7. Makarov P., Povarova K. Development of tungsten-based vacuum melted and powder structural alloys // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2002. – Vol. 20 (4). – P. 277–285.

8. Tanabe T., Eamchotchawalit C., Busabok C., Taweethavorn S., Fujitsuka M., Shikama T. Temperature dependence of thermal conductivity in W and W-Re alloys from 300 to 1000 K // Materials Letters. – 2003. – Vol. 57 (19). – P. 2950–2953.

9. Zayachuk Y., ‘t Hoen M.H.J., Zeijlmans van Emmichoven P.A., Terentyev D., Uytdenhouwen I., van Oost G. Surface modification of tungsten and tungsten-tantalum alloys exposed to high-flux deuterium plasma and its impact on deuterium retention // Nuclear Fusion. – 2013. – Vol. 53 (1). – P. 013013.

10. Rieth M., Armstrong D., Dafferner B., Heger S., Hoffmann A., Hoffmann M.-D., Jäntsch U., Kübel C., Materna-Morris E., Reiser J., Rohde M., Scherer T., Widak V., Zimmermann H. Tungsten as a structural material // Advances in Science and Technology. – 2010. – Vol. 73. – P. 11–21.

11. Terentyev D., Khvan T., You J.-H., Van Steenberge N. Development of chromium and chromium-tungsten alloy for the plasma facing components: Application of vacuum arc melting techniques // Journal of Nuclear Materials. – 2020. – Vol. 536. – P. 152204.

12. Pérez P., Monge M.A. Influence of 2 (wt%) titanium addition on the oxidation resistance of tungsten // Nuclear Materials and Energy. – 2022. – Vol. 31. – P. 101172.

13. Fu T., Cui K., Zhang Y., Wang J., Shen F., Yu L., Qie J., Zhang X. Oxidation protection of tungsten alloys for nuclear fusion applications: A comprehensive review // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 884. – P. 161057.

14. Gao H., Chen W., Zhang Z. Evolution mechanisms of surface nano-crystallization of tungsten-copper alloys // Materials Letters. – 2016. – Vol. 176. – P. 181–184.

15. Zong R.L., Wen S.P., Zeng F., Gao Y., Pan F. Nanoindentation studies of Cu-W alloy films prepared by magnetron sputtering // Journal of Alloys and Compounds. – 2008. – Vol. 464 (1-2). – P. 544-549.

16. Zhang X., Beach J.A., Wang M., Bellon P., Averback R.S. Precipitation kinetics of dilute Cu-W alloys during lowtemperature ion irradiation // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 120. – P. 46-55.

17. Uglov V.V., Anishchik V.M., Astashynski V.V., Astashynski V.M., Ananin S.I., Askerko V.V., Kostyukevich E.A., Kuz’mitski A.M., Kvasov N.T., Danilyuk A.L. The Effect of Dense Compression Plasma Flow on Silicon Surface Morphology // Surface & Coatings Technology. – 2002. – Vol. 158. – P. 273-276.

18. Ryskulov A., Shymanski V., Uglov V., Ivanov I., Astashynski V., Amanzhulov B., Kuzmitski A., Kurakhmedov A., Filipp A., Ungarbayev Y., Koloberdin M. Structure and Phase Composition of WNb Alloy Formed by the Impact of Compression Plasma Flows // Materials. – 2023. – Vol. 16 (12). – P. 4445.

19. Wang Y., Zhuo L., Yin E. Progress, challenges and potentials/trends of tungsten-copper (W Cu) composites/pseudo-alloys: Fabrication, regulation and application // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 100. – P. 105648.

20. Shymanski V. I., Uglov V. V., Cherenda N. N., Pigasova V. S., Astashynski V. M., Kuzmitski A. M., Zhong H. W., Zhang S. J., Le X. Y., Remnev G. E. Structure and phase composition of tungsten alloys modified by compression plasma flows and high-intense pulsed ion beam impacts // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 491. – P. 43–52.

21. Kamiura Y., Umezawa K., Teraoka Y., Yoshigoe A. Characterization of Polycrystalline Tungsten Surfaces Irradiated with Nitrogen Ions by X-ray Photoelectron Spectroscopy // Mater. Trans. – 2016. – Vol. 57, No. 9. – P. 1609–1614.

22. Fu T., Cui K., Zhang Y., Wang J., Shen F., Yu L., Qie J., Zhang X. Oxidation protection of tungsten alloys for nuclear fusion applications: A comprehensive review // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 884. – P. 161057.

23. Koch F., Bolt H. Self-passivating W-based alloys as plasma facing material for nuclear fusion // Phys. Scr. – 2007. – Vol. 128. – P. 100–105.

24. Tishkevich D. I., German S. A., Rotkovich A. A., Vershinina T. N., Zhaludkevich А. L., Yao Y., Silibin M. V., Razanau I. U., Zubar T. I., Bondaruk A. A., Sayyed M. I., Trukhanov A. V. Isostatic hot-pressed tungsten radiation shields against gamma radiation // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 30. – P. 4347– 4352.

25. Baklanov V., Zhanbolatova G., Skakov M., Miniyazov A., Sokolov I., Tulenbergenov T., Kozhakhmetov Y., Bukina O., Orazgaliev N. Study of the temperature dependence of a carbidized layer formation on the tungsten surface under plasma irradiation // Mater. Res. Express. – 2022. – Vol. 9, No. 1. – P. 016403.

26. Franke P., Neuschütz D., Scientific Group Thermodata Europe (SGTE). W-Zr (Tungsten - Zirconium). In: Franke P., Neuschütz D. (eds) Binary Systems. Part 5: Binary Systems Supplement 1. Landolt-Börnstein – Group IV Physical Chemistry. – Vol. 19 (B5). – Berlin, Heidelberg: Springer, 2007. – 390 p.

27. Jin H., Hu H., Chi J., Ma Y., Su X. Interface Characteristics of Tungsten-Particle-Reinforced Zr-Based Bulk-Metallic-Glass Composites with Different Tungsten Particle Sizes // Materials. – 2023. – Vol. 16, № 15. – P. 5212.

28. Dubey P., Arya V., Srivastava S., Singh D., Chandra R. Effect of nitrogen flow rate on structural and mechanical properties of Zirconium Tungsten Nitride (Zr–W–N) coatings deposited by magnetron sputtering // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 236. – P. 182–187.

29. Cullity, B. D. Elements of X-Ray Diffraction / B.D. Cullity. Reading: Addison-Wesley Publishing, 1956. – 514 p. 30. Smithells Metals Reference Book/ ed. E. A. Brandes, G. B. Brook. England: Elsevier, Butterworth-Heinemann, 1992. – 7th ed. – 1800 p.

30. Makhlaj V. A., Garkusha I. E., Malykhin S. V., Pugachov A. T., Landman I., Linke J., Pestchanyi S., Chebotarev V. V., Tereshin V. I. Residual stresses in tungsten under exposures with ITER ELM-like plasma loads // Phys. Scr. – 2009. – Vol. T138. – P. 014060.

31. Girault B., Eyidi D., Chauveau T., Babonneau D., Renault P.-O., Le Bourhis E., Goudeau P. Copper coverage effect on tungsten crystallites texture development in W/Cu nanocomposite thin films // Journal of Applied Physics. – 2011. – Vol. 109, No. 1. – P. 014305.

32. Červená M., Čerstvý R., Dvořák T., Rezek J., Zeman P. Metastable structures in magnetron sputtered W–Zr thinfilm alloys // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 888. – P. 161558.

33. Mote V., Purushotham Y., Dole B. Williamson-Hall analysis in estimation of lattice strain in nanometer-sized ZnO particles // Journal of Theor. Applied Physics. – 2012. – Vol. 6, No. 1. – P. 6.

34. Baczmanski A., Lark R. J., Skrzypek S. J. Application of Non-linear Sin2ψ Method for Stress Determination Using X-Ray Diffraction Materials science forum. Coimbra, Portugal: Uetikon-Zuerich, Switzerland: Trans Tech Publications. – 2002. – P. 29–34.