Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама

Приводятся результаты исследований эрозионного поведения материалов на основе вольфрама, изготовленных с использованием различных технологий (горячее прессование в вакууме, вакуумно-дуговое нанесение покрытий, химическое осаждение паров) при облучении плазмой стационарного разряда Пеннинга....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
Hauptverfasser:	Глазунов, Г.П., Андреев, A.A., Бондаренко, М.Н., Волков, E.Д., Koнотопский, A.Л., Козий, Р., Неклюдов, И.М., Одейчук, Н.П., Патокин, A.П., Саенко, С.Ю., Сурков, А.Е., Хассанейн, A.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2007
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика и технология конструкционных материалов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110722
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама / Г.П. Глазунов, A.A. Андреев, М.Н. Бондаренко, E.Д. Волков, A.Л. Koнотопский, Р. Козий, И.М. Неклюдов, Н.П. Одейчук, A.П. Патокин, С.Ю. Саенко, А.Е. Сурков, A. Хассанейн // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 88-93. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-110722
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1107222017-01-07T03:02:42Z Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама Глазунов, Г.П. Андреев, A.A. Бондаренко, М.Н. Волков, E.Д. Koнотопский, A.Л. Козий, Р. Неклюдов, И.М. Одейчук, Н.П. Патокин, A.П. Саенко, С.Ю. Сурков, А.Е. Хассанейн, A. Физика и технология конструкционных материалов Приводятся результаты исследований эрозионного поведения материалов на основе вольфрама, изготовленных с использованием различных технологий (горячее прессование в вакууме, вакуумно-дуговое нанесение покрытий, химическое осаждение паров) при облучении плазмой стационарного разряда Пеннинга. Наводяться результати досліджень ерозійної поведінки матеріалів на основі вольфраму, виготовлених з використанням різних технологій (гаряче пресування у вакуумі, вакуумно-дугове нанесення покриттів, хімічне осадження парів) при опромінюванні плазмою стаціонарного розряду Пеннінгу. It is presented in this work the results of the erosion behavior examination of the materials on the basis of tungsten which have been produced with the use of different technologies (vacuum-arc coating deposition, chemical vapor deposition, hot pressing in a vacuum) under steady state Penning discharge plasma irradiation. 2007 Article Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама / Г.П. Глазунов, A.A. Андреев, М.Н. Бондаренко, E.Д. Волков, A.Л. Koнотопский, Р. Козий, И.М. Неклюдов, Н.П. Одейчук, A.П. Патокин, С.Ю. Саенко, А.Е. Сурков, A. Хассанейн // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 88-93. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110722 533.15 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов
spellingShingle	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Глазунов, Г.П. Андреев, A.A. Бондаренко, М.Н. Волков, E.Д. Koнотопский, A.Л. Козий, Р. Неклюдов, И.М. Одейчук, Н.П. Патокин, A.П. Саенко, С.Ю. Сурков, А.Е. Хассанейн, A. Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама Вопросы атомной науки и техники
description	Приводятся результаты исследований эрозионного поведения материалов на основе вольфрама, изготовленных с использованием различных технологий (горячее прессование в вакууме, вакуумно-дуговое нанесение покрытий, химическое осаждение паров) при облучении плазмой стационарного разряда Пеннинга.
format	Article
author	Глазунов, Г.П. Андреев, A.A. Бондаренко, М.Н. Волков, E.Д. Koнотопский, A.Л. Козий, Р. Неклюдов, И.М. Одейчук, Н.П. Патокин, A.П. Саенко, С.Ю. Сурков, А.Е. Хассанейн, A.
author_facet	Глазунов, Г.П. Андреев, A.A. Бондаренко, М.Н. Волков, E.Д. Koнотопский, A.Л. Козий, Р. Неклюдов, И.М. Одейчук, Н.П. Патокин, A.П. Саенко, С.Ю. Сурков, А.Е. Хассанейн, A.
author_sort	Глазунов, Г.П.
title	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама
title_short	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама
title_full	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама
title_fullStr	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама
title_full_unstemmed	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама
title_sort	эрозионное поведение материалов на основе вольфрама
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110722
citation_txt	Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама / Г.П. Глазунов, A.A. Андреев, М.Н. Бондаренко, E.Д. Волков, A.Л. Koнотопский, Р. Козий, И.М. Неклюдов, Н.П. Одейчук, A.П. Патокин, С.Ю. Саенко, А.Е. Сурков, A. Хассанейн // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 88-93. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT glazunovgp érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT andreevaa érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT bondarenkomn érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT volkoved érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT konotopskijal érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT kozijr érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT neklûdovim érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT odejčuknp érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT patokinap érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT saenkosû érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT surkovae érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa AT hassanejna érozionnoepovedeniematerialovnaosnovevolʹframa
first_indexed	2025-07-08T01:02:11Z
last_indexed	2025-07-08T01:02:11Z
_version_	1837038600964800512
fulltext	УДК 533.15 ЭРОЗИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА Г.П. Глазунов, A A. Андреев, М.Н. Бондаренко, E.Д. Волков, A.Л. Koнотопский, Р. Козий1, И.М. Неклюдов, Н.П. Одейчук, A.П. Патокин, С.Ю. Саенко, А.Е. Сурков, A. Хассанейн2 ННЦ «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина; 1 Сандийские национальные лаборатории, Ливермор, СА 94550, США; 2 Аргоннская национальная лаборатория, 60439 Аргонн, Иллинойс, США Приводятся результаты исследований эрозионного поведения материалов на основе вольфрама, изготов- ленных с использованием различных технологий (горячее прессование в вакууме, вакуумно-дуговое нанесе- ние покрытий, химическое осаждение паров) при облучении плазмой стационарного разряда Пеннинга. ВВЕДЕНИЕ Вольфрам является сейчас одним из перспектив- ных материалов для атомных реакторов следующего поколения и установок управляемого термоядерного синтеза. Вольфрамовые покрытия могут использо- ваться для создания диффузионных двухслойных систем [1], а также наноситься на поврежденные ча- сти обращенных к плазме узлов для их ремонта. Со- здание новых материалов на основе вольфрама и ис- следование их эрозионного поведения могут быть полезными не только для атомной и термоядерной энергетики, но и для и водородной энергетики, плаз- менной химии и т. д. Поэтому целью работы было создание новых эрозионно-стойких материалов на основе вольфрама и исследования их эрозионных характеристик. 1. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАЗЦЫ Основу методологии данной работы составляло то, что разработка материалов осуществлялась с ис- пользованием разных, независимых методов – ваку- умно-дуговым распылением (ВД), химическим оса- ждением паров (газофазный метод, ГФ), горячим прессованием в вакууме (ГП). Параллельно исследо- вались вакуумно-плазменные характеристики полу- ченных материалов, такие как скорость эрозии, про- никновение водорода, что позволяло делать выбор лучшего направления работ для получения материа- ла с оптимальными характеристиками. Схема экспериментальной установки ДСМ-1 (Диагностический стенд материалов), использован- ной для изучения эрозионного поведения материа- лов в условиях воздействия плазмы, приведена на рис.1. Давление рабочего газа (в большинстве слу- чаев использовался азот) в вакуумной камере было 0,266 Па. Отражательный разряд Пеннинга зажигал- ся в магнитном поле B≈0,05Tл, которое создавалось двумя парами катушек. Величина катодного потен- циала U менялась в пределах U = 1…2 кВ. Дозы об- лучения были 1018…1020 ион/cм2. Плазма Держатель образца Термопара ПМИ-2, ЛТ Форвакуум- ный насос Турбомолеку- лярный насос N 2 Ar Pd- фильтр H - баллон 2- Катушки магнитного поля Керамика Изолятор Масс- спектрометр Рис. 1. Схема экспериментальной установки Перед исследованиями скорости эрозии измеря- лись характеристики плазмы при помощи оди- ночного и многосеточного ленгмюровского зон- да (таблица, где U – напряжение разряда, I – разрядный ток, Te и ne – температура и плот- ность электронов, ϕ - потенциал плазмы, Ei – энергия ионов в максимуме функции распреде- ления, ∆Ei – полуширина функции распределе- ния по энергиям). Сравнение параметров разря- да для случаев, когда в качестве катодов служи- ли высокопористые и плотные образцы вольф- рама показывает снижение электронной темпе- ратуры и плотности плазмы при использовании пористых мишеней. Заметим также, что с ро- стом напряжения разряда и соответственно раз- рядного тока электронная температура умень- шается, а электронная плотность растет. Воз- можной причиной этого является рост количе- ства нейтральных частиц в разрядном проме- жутке, что вызвано большей потерей массы в случае пористых катодов. Это охлаждает плаз- му и увеличивает концентрацию электронов. Из данных таблицы видно, что в выбранном для ис- следований диапазоне напряжений разряда для азотной плазмы выполняется соотношение Еі ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.88 – 93. 88 ~0,8 U. Это же соотношение выполняется и для других газов. Характеристики азотной плазмы в разрядах с пористыми и плотными катодами из вольфрама Напряжение и ток разряда Характеристики на периферии разряда для пористых/плотных катодов Плазменные параметры вблизи оси U, кэВ I, мА ne1010 , част./cм3 Te104, К φ, В Ei , эВ ∆Ei , эВ 0,8 0,8 0,03/0,1 0,62/0,9 9/7 0,62 50 1 2,2 0,05/0,15 0,48/0,71 12/9 0,85 60 1,2 5 0,13/0,17 0,37/0,67 12/13 0,93 75 1,5 8 0,15/0,32 0,32/0,52 15/13 1,15 93 1,7 10 0,22/0,65 0,30/0,35 14/15 1,32 110 2 16 0,31/0,93 0,30/0,28 16/16 1,57 132 Образцы для исследований представляли собой диски диаметром 20...25 мм из никеля или палладия, покрытые с одной стороны вольфрамовыми пленка- ми различной толщины и пористости. Для нанесе- ния вольфрамовых пленок использовался вакуумно- дуговой метод или метод КИБ [2] с использованием серийной установки «Булат-6» и метод химического осаждения паров [3]. Применялось также напыление путем распыления W-стержня непосредственно в ва- куумной камере ДСМ-1. В последнем случае два симметричных катода соединялись вольфрамовым стержнем диаметром 6 мм и реализовывалась так называемая конфигурация стержнетрона, подобная разрядам типа цилиндрического магнетронного. При изготовлении плотных ВД вольфрамовых покрытий (пористость 1…3%) распыление катода из вольфрама проводилось в высоком вакууме или при давлении аргона ниже, чем ≈ 0,6 Па. Потенциал на подложке был 20 В, ток дуги 170 A, скорость напы- ления 10 мкм/ч, температура подложки 773 К. Тол- щина вакуумно-дуговых пленок составляла 1…20 мкм, и на поверхности покрытия наблюдалось неко- торое количество капель. Пористые вольфрамовые покрытия (пористость около 45%) наносились при давлении аргона выше 10 Пa. При нанесении пленок химическим осаждением паров соблюдались условия: температура подложки 773…1073К, давление гексакарбонила вольфрама 0,1…50 Па, скорость напыления 10 мкм/ч. Толщина ГФ пленок была 0,2…300 мкм. Наиболее плотные пленки (19,12…19,2 г/cм3) получались при темпера- турах подложки 973...1073 K и давлениях менее 5 Па. Пористость до 10…18% получалась при темпе- ратурах 773…873 K и давлениях парогазовой смеси 30…50 Пa. Но рост давления приводил не только к увеличению пористости, но и к значительному ро- сту количества примесей (до 1…2 мас.%.) в пленках. Поэтому в экспериментах по эрозии использовались только плотные ГФ-покрытия из вольфрама. Толщи- на покрытий измерялась двумя методами: взвешива- нием образцов до и после напыления и измерениями на металлографических шлифах. Уровень пористо- сти оценивался как разница между толщинами, определенными разными методами. Условия при напылении в разряде типа магне- тронного следующие: ток разряда 0,1 A, напряжение разряда 700 В, давление рабочего газа (аргона) 0,266 Па, скорость напыления 0,1 мкм/ч. Толщина пленок была 0,1…0,2 мкм, и на поверхности пленок не было капель. Горячепрессованные образцы имели тот же диа- метр (20…25 мм) и изготавливались спеканием под давленим (горячим прессованием в вакуу- ме) порошков вольфрама на подложке из никеля или палладия, а также смесей W-5% Cu и W-1% Ni. Смешивание порошков (с добавлением эти- лового спирта) проводили в полиуретановой мельнице с шарами из твердого сплава ВК-8 в течение 12 ч до полной гомогенизации смеси. Рабочие режимы при изготовлении образцов были следующие: температура от 1673 K до 2173 K, давление ~ 30 МПа, время выдержки 15 мин, вакуум ~ 1,3 Па. Пористость измерялась пикнометрическим методом и составляла около 50 % для спеченного вольфрама и 10-12% для W-5% Cu и W-1% Ni образцов. Образцы перед измерениями подвергались механической чистке и отжигу в вакууме при температуре 873 K. Заметим, что последняя процедура приводи- ла к растрескиванию высокопористых ГП-об- разцов спеченного вольфрама (рис. 2). В то же время образцы W – 5% Cu и W – 1% Ni не име- ли повреждений даже после многократного тер- моциклирования. а б в Рис. 2. Различные образцы горячепрессованного W до (верхний ряд) и после (нижний ряд) облу- чения азотной плазмой, Е=1 кэВ, 1019ион/см2: а – горячепрессованный W на Ni-подложке; б – ГП W-5%Cu; в – ГП W-5%Cu после выпаривания меди Измерение скорости эрозии (коэффициента эро- зии) проводилось весовым методом, подробно опи- санным в предыдущих работах [4-6]. Необходимо только отметить, что измерение скорости эрозии для насыщенных водородом образцов на палладиевой подложке проводилось двумя способами. При пер- вом - для определения веса образца после облучения он помещался в специальную вакуумную камеру и прогревался при температуре 873 К в вакууме 1,33⋅ 10-4 Па в течение часа для того, чтобы удалить растворенный водород. При втором способе облу- ченные образцы выдерживались в атмосфере водо- рода при давлении 2 атм в течение многих часов для достижения первоначальной, высокой концентрации водорода (обычно H/Pd=0,65). Коэффициенты эро- зии, измеренные этими различными методами, были идентичны в рамках экспериментальной погрешно- сти (≈30 %). Основная ошибка измерений определя- лась измерениями тока (≈ 25%) и была обусловлена некоторой нестабильностью тока на начальной ста- дии разряда из-за потока примесей с катодов. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Зависимости коэффициента эрозии от дозы облу- чения для W-пленок на Pd, изготовленных ВД- и ГФ-методами, показаны на рис.3. Для сравнения приведены также литературные данные для Pd без покрытия [4] и массивного W [7], а также наши экс- периментальные результаты для листового W тол- щиной 0,1 мм. 0 0,5 1 1,5 2 1018 1019 1020 Доза облучения, ион/см2 Ко эф фи ци ент эр о зии , а т. / и он Pd W Рис. 3. Зависимости скорости эрозии W-Pd от дозы облучения ионами N+, 1 кэВ: пунктирные линии – ли- тературные данные для Pd [4] и W [7], кружки – результаты данного эксперимента для листового W; квадраты - W-пленки, нанесенные в разрядах типа магнетронных; треугольники – вакуумно-ду- говые и газофазные W-пленки Видно, что зависимости носят различный харак- тер для покрытий, приготовленных разными спосо- бами. Для W-пленок, нанесенных вакуумно-дуго- вым способом и химическим осаждением пара, ве- личина коэффициента эрозии близка к таковой для массивного вольфрама (≈ 0,15 ат./ион при E=1,2 кэВ), и она не меняется до доз 4⋅1019 ион/cм2 (толщина W-пленок 1,5мкм). При дальнейшем уве- личении дозы облучения скорость распыления резко возрастает до значений, характерных для палладия без покрытия (1,3 ат./ион при 1,2 кэВ [4]), что обу- словлено полным распылением пленки. В случае W- покрытий, изготовленных в разрядах типа магне- тронных в ДСМ-1, коэффициент эрозии монотонно растет со временем облучения. Такой характер эро- зии можно объяснить, принимая во внимание, что ВД- и ГФ-пленки наносились при высокой темпера- туре подложки (773 и 973 К соответственно), когда пористость пленок низка. Вольфрамовые пленки, нанесенные в разряде типа магнетронного, характе- ризуются высокой пористостью, включая открытую пористость, потому что напыление проводилось при низкой температуре подложки (≈300 К). Поэтому в данном случае может происходить параллельная эрозия W и Pd с постоянным ростом доли палладия. Величины коэффициентов эрозии в зависимости от энергии ионов азота для W-Pd-систем в насыщен- ном водородом состоянии и в ненасыщенном при воздействии стационарной азотной плазмы показа- ны на рис.4. Видно, что эрозия насыщенных водоро- дом образцов W-Pd в ≈2 - 5 раз ниже, чем для образ- цов без водорода. Необходимо заметить, что во вре- мя насыщения водородом основное его количество растворяется в палладиевой подложке. Во время плазменных экспериментов с образцами W-Pd, на- сыщенными водородом, они нагревались до 473… 573 К, и водород, диффундируя через W-пленки, увеличивает рабочее давление от 0,266 до 0,29 Па (на ≈ 10%), т.е. наблюдается режим разряда с высо- ким коэффициентом рециклинга. 0,01 0,1 1 0,5 1 1,5 2 Энергия ионов, кэВ Ко эф фи ци ен т э ро зи и , а т./ ио н 4 мкм W (ВД) на Pd без водорода 2 мкм W (ГФ) на Pd без водорода 4 мкм W (ВД) на Pd, H/Pd = 0,65 Рис. 4. Зависимости коэффициента эрозии от энер- гии ионов азота для W-Pd биметаллической систе- мы в насыщенном водородом состоянии и ненасы- щенном Для объяснения полученного результата можно предложить следующий физический механизм [5]. Когда водород, растворенный в металлической ре- шетке, сильно связан с атомами металла (в случае водорода в W энергия связи около 1,04 эВ), наибо- лее вероятно, что бомбардирующий ион отдаст энергию комплексу водород-атом Pd. В этой ситуа- ции атомы водорода имеют хороший шанс для рас- пыления (имеет место селективное распыление во- дорода). В палладии энергия связи водорода низкая (≈ 0,23 эВ), и он имеет высокую подвижность при средних и даже при низких температурах. Водород- ная подсистема слабо связана с атомами Pd, и поэто- му более вероятно, что бомбардирующий ион отдаст свою энергию большому атому Pd, чем атому водо- рода (протону). В этой ситуации атомы Pd имеют хороший шанс для распыления, и растворенный во- дород не влияет на эрозионное поведение, как это и наблюдалось ранее в работе [4]. Заметим, что в ра- боте [8] распыление лития ионами гелия после на- сыщения дейтерием (D/Li =1) также снижалось при- мерно в три раза по сравнению с ненасыщенными образцами, что объяснялось преимущественным распылением легкой компоненты (дейтерия). Насыщение водородом W-Pd-систем приводит не только к изменению скорости распыления, но и к макроповреждениям образцов в виде сильных изме- нений формы и эрозии шелушением. Изменения формы наблюдались в виде остаточной деформации формы из плоской в выпуклую (рис. 5,а,б) после длительной выдержки W-Pd-образцов в атмосфере водорода при давлении 2 атм. При таких условиях образуется богатая водородом β-фаза в Pd. При тол- щине Pd-подложки 0,2 мм и диаметре 20 мм прогиб образца достигал 6 мм. Это очень большая величи- на по сравнению с остаточной деформацией водоро- дом, наблюдавшейся раннее для Pd [9], и для палла- дия с Cu-пленкой после одностороннего насыщения водородом в области α-фазы раствора водорода [10]. Несмотря на различный масштаб этих эффек- тов, кажется разумным объяснить сильное измене- ние формы в наших экспериментах подобно тому, как это было описано в [9, 10], т.е. главной физиче- ской причиной могут быть динамические поля напряжений, обусловленные остаточными градиен- тами концентраций водорода. а б в Рис. 5. Образцы W-Pd: а – ВД W(4мкм)-Pd после на- сыщения водородом до концентрации H/Pd=0.65 и тот же образец перед насыщением водородом (б); в - ВД W(4мкм)-Pd после неоднократного дли- тельного насыщения водородом до высоких концен- траций при комнатной температуре и обезгаживания Нужно отметить, что даже сильное изменение формы, вызванное водородным насыщением, не приводило сразу к разрушению W-пленок. Но после многократно повторяющегося длительное время во- дородного насыщения при комнатной температуре наблюдалась так называемая шеллинг-эрозия (эро- зия шелушением), когда большая часть поверхности W-покрытий разрушалась (см. рис.5,в). Возможен следующий механизм таких повреждений. Водород, диффундируя из объема палладия, сегрегирует в те места межфазной границы W-пленка-палладий, ко- торые имеют повышенную концентрацию дефектов, например, в зоны с пониженной адгезией. Давление водорода в этих зонах растет, что приводит к об- разованию полостей (макроблистеров). С дальней- шим ростом давления водорода, вызываемом диф- фузией водорода из объема палладия, напряженно- деформированная W-пленка в местах полостей раз- рушается, образуя крупные металлические хлопья (макрофлэки). Заметим, что природа и масштаб та- кого разрушения отличны от широко известного блистеринга и флэкинга, когда на поверхности ме- талла образуются вздутия (блистеры) и хлопья (фл- эки), как результат повреждения поверхности им- плантированными ионами. По характеру и масшта- бу наблюдавшиеся в данной работе повреждения бо- лее близки к шеллинг-эрозии покрытий из нитрида титана на нержавеющей стали при воздействии мощных импульсных потоков плазмы [11]. Из рис. 6 ясно, что скорость эрозии пористых W- пленок практически не отличается от таковой для плотных ВД- и ГФ-покрытий. Это неожиданный и очень обнадеживающий результат с точки зрения создания диффузионных систем, обращенных к плазме. Объяснить такое эрозионное поведение можно, если предположить сильное влияние процес- сов перенапыления, когда большое количество рас- пыленных атомов вольфрама переосаждается на близлежащих поверхностях пор вольфрамовой пленки. 0,01 0,1 1 0,5 1,5 2,5 Напряжение разряда, кВКо эф фи ци ен т эр оз ии , ат ./и он Рис. 6. Зависимость коэффициента эрозии от энергии ионов азота для Pd-W-систем: ▲ – плотная ВД-W-пленка, ○ – ВД-W-пленка с пори- стостью 45%;  - данные для ВД-W-пленки, насыщенной водо- родом Результаты исследования скорости эрозии горя- чепрессованных в вакууме материалов показаны на рис. 7-11. Для всех ГП-материалов коэффи- циент эрозии слабо зависит от энергии ионов в исследованном диапазоне энергий. 0,1 1 10 1,00E+18 1,00E+19 1,00E+20 1,00E+21 Доза облучения, ион/см2 Ко эф фи ци ен т эр оз ии , ат ./и он Рис. 7. Зависимость коэффициента эрозии горя- чепрессованного W на Ni-подложке от дозы облуче- ния ионами азота с энергией 1 кэВ Это выполняется для всех видов ионов и нахо- дится в хорошем согласии с литературными данны- ми. На рис.7 видно, что для высокопористых образ- цов, изготовленных горячим прессованием W-по- рошка на никелевой подложке (пористость 45 %) при изменении флюенса наблюдаются довольно вы- сокие и нестабильные значения скорости эрозии (3…0,35ат./ион вместо 0,15 ат./ион для плотного вольфрама). Это вызвано двумя причинами: во-пер- вых, высоким содержанием примесей в высокопори- стых ГП-образцах, во-вторых, потерей массы из-за растрескивания и выпадения микро- и макро-частиц. Для плотных ГП-систем (с никелевой и медной свя- зующей) абсолютные значения коэффициента эро- зии хорошо согласуются с литературными данными по распылению вольфрама, за исключением ре- зультатов по эрозии в водородных разрядах. Замет- ное отклонение в случае водородной плазмы объяс- няется, как показано в [6], потоком примесей с като- дов на начальной стадии разрядов. 0,01 0,1 1 0,7 1,2 1,7 2,2 Напряжение разряда, кВ Ко эф фи ци ен т э ро зи и, ат ./и он Рис. 8. Зависимость коэффициента эрозии ГП W-1%Ni от энергии ионов: H+ (●), He+ (), N+(), Ar+ () 0,1 1 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 Напряжение разряда, кВ Ко эф фи ци ен т эр оз ии , а т. /и он Рис. 9. Зависимость коэффициента эрозии от энер- гии ионов азота для: ■ - ГП W-5%Cu;  - ГП W-5%Cu после выпаривания меди 0,01 0,1 1 0,7 1,2 1,7 Энергия ионов, кэВ Ко эф фи ци ен т э ро зи и, ат ./и он Рис. 10. Зависимость коэффициента эрозии ГП W-5%Cu от энергии ионов для: He+ (), N+ (), Ar+ () 0,01 0,1 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Атомный номер ионов Ко эф фи ци ен т э ро зи и, а т./ ио н Рис. 11. Зависимость коэффициента эрозии ГП ( W-5%Cu) от атомного номера бомбардирую- щих ионов с энергией 1.4 кэВ () и 1.6 кэВ ( ); кривая – расчет по уравнению массовой зависимо- сти ионного распыления W [7] Заметим, что после выпаривания меди при высо- ких температурах из ГП-системы (W-5% Cu) коэф- фициент эрозии возрастает и становится нестабиль- ным (см. рис.9). По аналогии с высокопористым спеченным вольфрамом причиной такого эро- зионного поведения может быть потеря массы из-за выпадения микро- и макрочастиц. Зависимость скорости распыления горячепрессо- ванного вольфрама с медной связующей от массы бомбардирующих ионов приведена на рис.11. Ана- логичная зависимость наблюдается для ГП-матери- ала (W-1%Ni). В обоих случаях наблюдается хоро- шее согласие с предложенным в работе [7] уравне- нием зависимости ионного распыления от массы ионов: a⋅(Z1Z2)⋅m1/(Z1 2/3+Z2 2/3)0.5⋅(m1+m2), где a – константа; Z1 и Z2 – атомные номера бомбарди- рующего иона и материала мишени соответственно; m1 и m2 – атомные массы иона и вольфрама. Таким образом, проведенные исследования пока- зали, что за исключением высокопористого горяче- прессованного вольфрама и псевдосплава W-5%Cu после выпаривания меди, все испытанные материа- лы (плотные и пористые вакуумно-дуговые и газо- фазные покрытия, горячепрессованные в вакууме W-1%Ni и W-5%Cu) показали высокую эрозионную стойкость при облучении стационарной плазмой и могут быть перспективными для использования в качестве материалов первой стенки ТЯР. ВЫВОДЫ Абсолютные значения коэффициентов эрозии плотных материалов на основе вольфрама, получен- ных вакуумно-дуговым способом, химическим раз- ложением паров гексакарбонила вольфрама, горя- чим прессованием в вакууме, близки к таковым для объемного вольфрама при ионном распылении во всем исследованном диапазоне энергий ионов (0,6… 1,8 кэВ) и их массы. Однако выпаривание легко- плавкой связующей из горячепрессованного матери- ала W-1%Cu приводит к значительному росту его скорости эрозии. Водородное насыщение W-Pd-систем до высоких концентраций приводит к снижению скорости рас- пыления вольфрама в ≈2 - 5 раз по сравнению с не- насыщенным состоянием. Такое влияние водорода на эрозионное поведение W можно объяснить селек- тивным распылением водорода, обусловленным вы- сокой энергией связи водорода в вольфраме. Коэффициенты эрозии высокопористых вольф- рамовых покрытий близки по значениям к таковым для плотных пленок, что является обнадеживающим результатом с точки зрения создания диффузионных мембран для управления рециклингом изотопов во- дорода. Работа выполнялась при финансовой поддержке Научно-технологического центра в Украине (УНТЦ), проект № 3134. ЛИТЕРАТУРА 1. G.P.Glazunov, E.D.Volkov, A.Hassanein. Bimetallic diffusion membranes: possible use for active hydrogen recycling control // Hydrogen and Helium Recycling at Plasma Facing Materials / Ed. A.Hassanein. NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chem- istry. 2002, v.54, p. 163-176. 2. И.И. Аксенов и др. Покрытия, полученные кон- денсацией плазменных потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой) // УФЖ. 1979, т. 24, № 24, c. 515-525. 3. А.П. Патокин, В.В. Сагалович. Масс-спектро-мет- рические исследования процесса термического раз- ложения гексакарбонилов молибдена и вольфрама // ЖФХ. 1976, т. 50, p. 630-634. 4. G.P. Glazunov et al. Effect of low/high hydrogen re- cycling operation on palladium sputtering under steady state plasma impact. // Physica Scripta. 2003, v. 103, p. 89-92 5. G.P. Glazunov et al. Hydrogen permeability and ero- sion behavior of the W-Pd bimetallic systems // Fu- sion Engineering and Design. 2006, issues 1-7, p. 375- 380. 6. G.P. Glazunov et al. Palladium erosion behavior un- der low/high local hydrogen recycling coefficients in steady state plasmas. // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Plasma Physics” (8 ). 2002, N 5, p. 80-82. 7. Y. Yamamura and H. Tawara . Energy dependence of ion-induced sputtering yields from monatomic solids at normal incidence // NIFS-DATA-23. Nagoya, Japan, 1995, 114p. 8. J.P.Allain, D.N. Ruzic. Measurements and modeling of solid phase lithium sputtering. // Nuclear Fusion. 2002, v.42, p.202-210. 9. R.V. Kotelva and V.A. Goltsov. Form changing of palladium plates // Proc. of the Int. Conf. “Precious and less-common metals-94”, September 19-22, 1994, Donetsk, Ukraine, 1994, p.52. 10. V.A.Goltsov, Zh.L. Glukhova and A.L. Redko. Hy- drogen elasticity effect and its importance in diffusion of concentration inhomogeneities in metals // Int. J. Hydrogen Energy. 1997, v. 22, p.179-183. 11. G.P.Glazunov et al. Erosion and outgassing behav- ior of TiN-coated plasma facing components of the Uragan-3M torsatron. // J. Nuclear Mater. 2001, v. 290-293, p. 266-270. ЕРОЗІЙНА ПОВЕДІНКА МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ВОЛЬФРАМУ Г.П. Глазунов, А.А. Андрєєв, М.Н. Бондаренко, Є.Д. Волков, О.Л. Конотопський, Р. Козій, І.М. Неклюдов, М.П. Одейчук, О.П. Патокін, С.Ю. Саєнко, О.Є. Сурков, А. Хассанейн Наводяться результати досліджень ерозійної поведінки матеріалів на основі вольфраму, виготовлених з використанням різних технологій (гаряче пресування у вакуумі, вакуумно-дугове нанесення покриттів, хімічне осадження парів) при опромінюванні плазмою стаціонарного розряду Пеннінгу. EROSION BEHAVIOR OF THE MATERIALS ON BASIS OF TUNGSTEN G.P. Glazunov, A.A. Andreev, M.N. Bondarenko, E.D. Volkov, A.L. Konotopskiy, R. Causey, I.M. Neklyudov, N.P. Odeychuk, A.P. Patokin, S.Yu. Sayenko, A.E. Surkov, A. Hassanein It is presented in this work the results of the erosion behavior examination of the materials on the basis of tung- sten which have been produced with the use of different technologies (vacuum-arc coating deposition, chemical va- por deposition, hot pressing in a vacuum) under steady state Penning discharge plasma irradiation.

Эрозионное поведение материалов на основе вольфрама

Institution

Ähnliche Einträge