РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ВАНАДИЯ К СЕГРЕГАЦИИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ТЯЖЁЛЫМИ ИОНАМИ КРИПТОНА

В работе исследовались изменения морфологии и элементного состава сплавов на основе системы V-Nb-Ta-Ti после облучения ионами ⁸⁴Kr¹⁵⁺ с энергией 147 МэВ и флюенсом ионов 1·10¹³–1·10¹⁵ см⁻². Обнаружено, что облучение ионами криптона не привело к значительным повреждениям поверхности образцов V, VNb, VNbTa, VNbTaTi кроме образования тёмных пятен и сколов, размер и количество которых уменьшались от V к VNbTaTi. Анализ методом энергодисперсионной спектроскопии на растровом электронном микроскопе (РЭМ-ЭДС) показал, что состав всех исходных образцов был близким к эквиатомному. С усложнением состава от VNb к среднеэнтропийному сплаву (СЭС) VNbTa, радиационная сегрегация элементов в образцах увеличилась, но при этом уменьшилась в высокоэнтропийном сплаве (ВЭС) VNbTaTi. Наибольшее изменение концентраций было обнаружено в сплаве VNbTa, где концентрация Ta увеличилась на 18,5% (4,4 ат.% (атомных процентов)) по сравнению с необлученным образцом. Обнаружено, что в сплавах VNbTa и VNbTaTi сегрегация усиливалась с увеличением флюенса, а в VNb сегрегации достигла пика при 1·10¹⁴ см⁻², а затем уменьшилась. С помощью анализа методом Резерфордовского обратного рассеяния (РОР) показано, что в образцах VNbTa и VNbTaTi, облученных ионами криптона с флюенсом 1·10¹³ см⁻² концентрация атомов Ta увеличивалась с глубиной на 33–34% (8,6–12 ат.%) относительно исходной концентрации. Результаты анализа методами ЭДС и РОР показали схожие тенденции. Изменения концентраций элементов в приповерхностном слое VNb, VNbTa и VNbTaTi для тяжёлых элементов Nb, Ta превосходили таковые у лёгких. Различие в сегрегации элементов вероятно связано с разницей в искажении решётки, локальным химическим составом, разной зависимостью миграции атомов V, Nb, Ta, Ti от вакансий и междоузлий. Облучение ионами криптона привело к радиационной сегрегации в СЭС VNbTa и ВЭС VNbTaTi, но распределение элементов по поверхности образцов не образовало выраженных областей сегрегации. ВЭС VNbTaTi проявил большую устойчивость к радиационной сегрегации. 

1. Zinkle S. J., Tanigawa H., Wirth B. D. Radiation and Thermomechanical Degradation Effects in Reactor Structural Alloys // Structural Alloys for Nuclear Energy Applications: Elsevier, 2019. P. 163–210.

2. English C. A., Hyde J. M., Odette G. R., Lucas G. E., Tan L. Research Tools: Microstructure, Mechanical Properties, and Computational Thermodynamics // Structural Alloys for Nuclear Energy Applications: Elsevier, 2019. P. 103– 161.

3. Pickering E. J., Carruthers A. W., Barron P. J., Middleburgh S. C., Armstrong D. E. J., Gandy A. S. High-Entropy Alloys for Advanced Nuclear Applications // Entropy. – 2021. – Vol. 23, No. 1. – P. 98.

4. Chen W.-Y., Liu X., Chen Y., Yeh J.-W., Tseng K.-K., Natesan K. Irradiation effects in high entropy alloys and 316H stainless steel at 300 °C // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 510. – P. 421–430.

5. Zhu Z., Chen S., Zhang Q., Li L., Zhao Y., Guo X., Uglov V. V., Jin K., Xue Y. Suppressed defect production and hardening in refractory high entropy alloys under ion irradiation at early stage: A comparative study between VTaTi, HfNbZrTi, and conventional V-4Cr-4Ti // Journal of Materials Science & Technology. – 2025. – Vol. 235. – P. 1–11.

6. Shi T., Su Z., Li J., Liu C., Yang J., He X., Yun D., Peng Q., Lu C. Distinct point defect behaviours in bodycentered cubic medium-entropy alloy NbZrTi induced by severe lattice distortion // Acta Materialia. – 2022. – Vol. 229. – P. 117806.

7. Zhao S., Xiong Y., Ma S., Zhang J., Xu B., Kai J.-J. Defect accumulation and evolution in refractory multiprincipal element alloys // Acta Materialia. – 2021. – Vol. 219. – P. 117233.

8. Zhao S. Defect properties in a VTaCrW equiatomic high entropy alloy (HEA) with the body centered cubic (bcc) structure // Journal of Materials Science & Technology. – 2020. – Vol. 44. – P. 133–139.

9. 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 // Sci. Adv. – 2019. – Vol. 5, No. 3. – P. eaav2002.

10. Egami T., Guo W., Rack P. D., Nagase T. Irradiation Resistance of Multicomponent Alloys // Metall Mater Trans A. – 2014. – Vol. 45, No. 1. – P. 180–183.

11. Kareer A., Waite J. C., Li B., Couet A., Armstrong D. E. J., Wilkinson A. J. Short communication: ‘Low activation, refractory, high entropy alloys for nuclear applications’ // Journal of Nuclear Materials. – 2019. – Vol. 526. – P. 151744.

12. Parkin C., Moorehead M., Elbakhshwan M., Hu J., Chen W.-Y., Li M., He L., Sridharan K., Couet A. In situ microstructural evolution in face-centered and bodycentered cubic complex concentrated solid-solution alloys under heavy ion irradiation // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 198. – P. 85–99.

13. Uglov V. V., Zlotski S. V., Belov M. M., Ryskulov A. E., Jin K., Ivanov I. A., Kurakhmedov A. E., Mustafin D. A., Sapar A. D., Bikhert Y. V. Structural and Phase Changes in Concentrated V–Nb–Ta–Ti Solid Solutions Irradiated by Helium Ions // J. Surf. Investig. – 2023. – Vol. 17, No. 1. – P. 208–215.

14. Zdorovets M., Ivanov I., Koloberdin M., Kozin S., Alexandrenko V., Sambaev E., Kurakhmedov A., Ryskulov A. Accelerator complex based on DC-60 cyclotron. Obninsk: Joint Accelerator Conferences Website (JACoW), 2014. P. 287–289.

15. 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.

16. 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

17. Was G. S. Fundamentals of radiation materials science: metals and alloys. New York: Springer, 2007. – 827 p.

18. Amroussia A., Avilov M., Boehlert C. J., Durantel F., Grygiel C., Mittig W., Monnet I., Pellemoine F. Swift heavy ion irradiation damage in Ti–6Al–4V and Ti–6Al– 4V–1B: Study of the microstructure and mechanical properties // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2015. – Vol. 365. – P. 515–521.

19. Shiraishi K., Fukaya K., Katano Y. Radiation and anneal hardening in neutron-irradiated vanadium // Journal of Nuclear Materials. – 1974. – Vol. 54, No. 2. – P. 275–285.

20. Komarov F. F. Nano- and microstructuring of solids by swift heavy ions // Phys.-Usp. – 2017. – Vol. 60, No. 5. – P. 435–471.

21. Averback R. S., Rehn L. E., Wagner W., Okamoto P. R., Wiedersich H. In situ Rutherford backscattering analysis of radiation-induced segregation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 1982. – Vol. 194, No. 1–3. – P. 457–460.

22. Averback R. S., Rehn L. E., Wagner W., Ehrhart P. The effect of primary recoil spectrum on radiation induced segregation in nickel-silicon alloys // Journal of Nuclear Materials. – 1983. – Vol. 118, No. 1. – P. 83–90.

23. 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, № 10. – P. 3695.

24. 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, № 1. – P. 298–310.