СОДЕРЖАНИЕ

Воздействие потоков энергии на материалы

Г. Е. Ремнев, В. А. Тарбоков, С. К. Павлов

Модифицирование материалов при воздействии мощных ионных пучков...........................................................................5

Обзор посвящен использованию мощных ионных пучков субмикросекундной длительности для синтеза и модификации свойств материалов. Мощные ионные пучки, изначально разработанные для задач инерциального термоядерного синтеза, за последние 30 лет все больше используются в качестве мощного импульсного источника нагрева, обеспечивающего достаточно широкие возможности для модифицирования поверхностного слоя материалов. Варьируя ключевые параметры пучков, такие как состав (тип ионов), длительность ускоряющего импульса (10 нс – 1 мкс), кинетическую энергию ионов (0,1 – 1 МэВ), плотность энергии, передаваемой пучком поверхности мишени за импульс (0,1 – 50 Дж/см²), были определены основные направления применения мощных ионных пучков в материаловедении: модифицирование поверхностного слоя путем сверхскоростной закалки, плавление и сверхбыстрая рекристаллизация с образованием микро- и наноструктур, импульсная имплантация ионов в сопровождении энергетического воздействия, осаждение тонких пленок и синтез наноразмерных порошков из абляционной плазмы.

Ключевые слова: мощный ионный пучок, модифицирование, упрочнение, комбинированные методы модифицирования, абляционная плазма, импульсные ускорители ионов.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-5-26

М. Г. Криницын, И. А. Фирсина, А. В. Барановский, М. П. Рагулина

Формирование объемных образцов из порошка МАХ-фазы Ti3AlC2 методом селективного

лазерного спекания...................................................................................................................................................................27

Объемные образцы из порошка МАХ-фазы Ti₃AlC₂ были получены методом селективного лазерного спекания (СЛС). Проведено комплексное структурно-фазовое исследование методами оптической и электронной микроскопии, а также рентгенофазового анализа, определен элементный и фазовый состав образцов, а также описана морфология исходных порошков и объемных СЛС-образцов. Установлены режимы селективного лазерного спекания, при которых наблюдается максимальный выход МАХ-фазы в образцах после СЛС.

Ключевые слова: селективное лазерное спекание, МАХ-фазы, карбоалюминид титана.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-27-33

Плазмохимические способы получения и обработки материалов

Н. В. Дедов, А. Н. Жиганов, В. Л. Софронов, Ю. Н. Туманов, М. С. Федоров

Разработка и исследование плазмохимической технологии получения смешанных оксидов урана

и плутония из растворов ........................................................................................................................................................34

Приведены результаты работ по применению плазмохимической технологии получения оксидов урана, плутония и их гомогенных смесей из нитратных растворов заданного состава с целью изготовления из них сердечников твэлов. В основу технологии заложен процесс высокотемпературного разложения водных растворов солей путем их распыления в поток газа-теплоносителя (воздуха), нагретого до 5000 – 6000 К в плазмотроне. Процесс высокопроизводителен, малостадиен, не требуются реагенты для осаждения солей, отсутствуют операции фильтрации и прокалки осадков, получаемые порошки химически активны. Разработана аппаратурно-технологическая схема установки, технологическое оборудование выполнено в ядерно-безопасном исполнении и смонтировано в вытяжных боксах. Конструкция плазмотрона обеспечивает возможность длительного непрерывного времени работы при высоких плазменных температурах с созданием интенсивных плазмоструйных процессов для переработки радиоактивных растворов. В реакторе предусмотрены способы предотвращения накопления продукта на стенках (метод газовой завесы, метод электроимпульсной очистки цилиндрических поверхностей, вихревая тангенциальная подача газа на уровне выходных отверстий форсунок). Степень улавливания оксидов в вихревых осадителях составляет 88 – 92 % на одну ступень, в фильтрах с металлотканой перегородкой степень очистки достигает — 10⁵ − 10⁸. Плазмохимические оксиды представляют собой нанокристаллические и наномерные материалы, содержащие кристаллическую и аморфную структуры. Смешанные порошки являются гомогенной смесью оксидов в виде твёрдых растворов. Размер частиц не превышает 3 мкм, величина кристаллитов около 10 нм. Из смешанных порошков изготовлены твэлы на ФГУП “Маяк”, прошедшие успешные испытания в реакторе “Бор-60”, и для реактора БН-600 изготовлено 7 промышленных твэлов, 6 из которых загружены в реактор.

Ключевые слова: плазмохимическая денитрация, аппаратурно-технологическая схема, твэлы, высокочастотный индукционный плазмотрон, плазмохимический реактор, оксиды урана, плутония, смешанные оксиды, вихревые осадители, металлотканые фильтры.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-34-41

Функциональные покрытия и обработка поверхности

А. А. Якушкин, В. М. Борисов, В. Н. Трофимов

Свойства хромовых покрытий, нанесенных различными методами на циркониевый сплав Э110..................................42

Рассмотрены способы повышения коррозионной стойкости оболочек твэлов из циркониевого сплава Э110, выполненные в АО “ГНЦ РФ ТРИНИТИ”, с использованием нанесения покрытий (Al, Al₂O₃, Cr) методами импульсного лазерного осаждения, а также магнетронного распыления и гальванического осаждения хрома. Представлены некоторые результаты исследования адгезии, микроструктуры и коррозионной стойкости хромовых покрытий, нанесенных различными методами.

Ключевые слова: Э110, хромовое покрытие, толерантное топливо, авария с потерей теплоносителя, ВВЭР, коррозионно-стойкие покрытия, магнетронные распылительные системы, эксимерный лазер, импульсное лазерное осаждение.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-42-50

В. М. Гусев, О. Ю. Елагина, А. Г. Буклаков

Повышение свойств плазменных теплозащитных покрытий за счет напыления материалов,

реагирующих с экзотермическими эффектами.................................................................................................................... 51

Качество теплозащитных покрытий, нанесенных методом газопламенного напыления, во многом определяется адгезией покрытия с поверхностью детали. Одним из способов повышения адгезии является нанесение между материалом основы и покрытием промежуточных слоев из термореагирующих порошков. В данной работе исследованы два варианта теплозащитных покрытий — двухслойное покрытие, состоящее из подслоя Al – Ni (20 – 80 масс. %) и основного слоя ZrO₂, и однослойное покрытие, напыленное из плакированного алюминием порошка оксида циркония (20 ZrО₂ – 80 Al, масс. %). Методом дифференциально-термического анализа определены температурные интервалы и величины экзотермических эффектов окислительных и окислительно[1]восстановительных реакций при нагреве Al – Ni и плакированных ZrO₂ порошков. Обнаружен значительный экзотермический эффект при окислении плакирующей оболочки из алюминия в области температур 360 °С и более сильный тепловой эффект за счет окислительно-восстановительной реакции при температуре 920 °С. Изучена микроструктура и микротвердость полученных покрытий, а также проведена оценка их теплопроводности и адгезии. Определена стойкость покрытий при термоциклических испытаниях. Установлено, что наилучшими характеристиками в условиях термоциклирования обладают термозащитные покрытия из плакированного алюминием порошка оксида циркония. Более высокий уровень адгезии и термоциклическая стойкость таких покрытий обусловлены повышением энтальпии плакированных алюминием порошков ZrO₂ за счет экзотермических реакций и наличия металлической связки.

Ключевые слова: газотермическое напыление, интерметаллидные композиционные материалы, экзотермические реакции, адгезия, энтальпия.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-51-55

Композиционные материалы

Г. Н. Кожемякин, Ю. С. Белов, М. К. Труфанова, О. Е. Брыль

Получение наночастиц галлия методом термического испарения в атмосфере аргона..................................................56

Определены условия получения наночастиц галлия (Ga) на стеклоуглеродных подложках методом термического испарения в атмосфере аргона. Исследование частиц Ga проводили разработанным методом интеллектуального анализа изображений микрофотографий, полученных на сканирующем электронном микроскопе. Показано, что температура подложек и время конденсации Ga определяют размеры и количество нано- и микрочастиц. При времени конденсации Ga в течение 10 – 20 с на подложках формировались наночастицы Ga с размерами 10 – 100 нм и микрочастицы с размерами до 500 нм. Наночастицы Ga имели форму, близкую к сферической, и их количество возрастало с увеличением времени конденсации. Увеличение температуры подложки от 118 до 124 °С обеспечило уменьшение на 20 % средних размеров большинства наночастиц Ga и увеличение их плотности в 7 – 20 раз.

Ключевые слова: наночастицы галлия, стеклоуглеродные подложки, метод термического испарения, интеллектуальный анализ изображений.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-56-62

Новые методы обработки и получения материалов с заданными свойствами

С. В. Овсепян, Ю. Р. Колобов, М. В. Ахмедзянов, С. С. Манохин, Е. В. Филонова

Исследование нитридной фазы в жаропрочном сплаве системы Ni – Co – Сr – W – Ti,

упрочняемом внутренним азотированием.............................................................................................................................63

Методами микрорентгеноспектрального анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии изучен состав частиц упрочняющей фазы — нитридов после внутреннего азотирования, а также последующей термической обработки, в жаропрочном сплаве системы Ni – Co – Cr – W – Ti марки ВЖ171. Частицы значительно различаются по химическому составу: основной образующий элемент — титан или хром, пропорционально замещён другими компонентами сплава. Составы нитридов у поверхности и в центре образца различаются по соотношению элементов. После отжига в вакууме в нитридах снижается содержание хрома, вольфрама и кобальта, меньше становится различие в составе выделений в поверхностном и центральном слоях образца, что может быть использовано для повышения свойств сплава.

Ключевые слова: азотирование, нитриды, высокожаропрочные сплавы, химико[1]термическая обработка, микроструктура, фазовый состав, упрочняющая фаза.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-63-71

В. А. Артюх, В. Н. Борщ, В. С. Юсупов, С. Я. Жук, В. А. Зеленский, Б. Ф. Белелюбский

Синтез катализаторов Al – Fe/SiO2 и Al – Co/SiO2 твёрдофазным методом...................................................................72

Методом механотермического синтеза получены порошки катализаторов из алюминидов Fe и Co на носителе SiO₂ (33,3 масс. %). Экспериментально установлено образование крупных порошковых фракций (> 100 мкм), доли которых для Fe – Al – SiO₂ и Co – Al – SiO₂ составили ~ 43 и ~ 55 % соответственно, что является позитивным результатом для дальнейших каталитических исследований. После отжига порошков при 700 и 900 °C в вакууме, в составе полученных катализаторов методом РФА идентифицированы носитель SiO2 и соединения Co₂₇Al₇₃ (близкое по составу к интерметаллидам типа CoAl₃ , Co₄Al₁₃), интерметаллид Fe3 Al с присутствием силицида железа типа Fe0,9Si0,1 и соединения Al_0,3Fe3 Si_0,7 в небольших объемах. По синтезу алюминидов кобальта, сделано заключение о более эффективном отжиге при 900 °C, чем при 700 °C. Для порошков Fe – Al – SiO₂ отжиг целесообразно проводить в интервале температур 700 – 750 °C с предположением о влиянии носителя SiO₂ на процесс термосинтеза алюминидов железа. Представлен экспериментальный анализ морфологии и элементного состава поверхности полученных образцов. Установлено, что порошки катализаторы имеют среднюю сферичность и угловатость. У порошков Fe – Al – SiO₂ поверхность более развитая, чем у Co – Al – SiO₂. На поверхности образца Co – Al – SiO₂ преимущественно образуются низшие интерметаллиды. Предложена корректировка режимов механического легирования посредством дробности процесса, изменения интенсивности его параметров и различных условий отжига для Co – Al – SiO₂ и Fe – Al – SiO₂.

Ключевые слова: твердофазный синтез, механическое легирование, отжиг, интерметаллиды, порошковые катализаторы.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-72-79

З. И. Искендерова

Радиолиз трансформаторного масла в присутствии трихлорбензола и нано-γ-Al2O3 .................................................... 80

Проведено сравнительное исследование кинетики изменения рН показателя, образования Н₂О₂ и СО₂ в зависимости от поглощенной дозы при радиолизе 1,2,4-ТХБ[1]содержащего трансформаторного масла в присутствии нано-γ-Аl₂O₃ и без него под действием γ излучения. При радиолизе обоих систем (TXБ + трансформаторное масло и TXБ + трансформаторное масло + нано-γ-Al₂O₃) радиационно-химический выход СО2 уменьшается с ростом исходной концентрации ТХБ, хотя при наличии наночастиц значения радиационно-химического выхода СО₂ становятся меньше. В отличие от СО₂ радиационно-химические выходы образования Н₂О₂ растут с повышением исходной концентрацией ТХБ, но их значения меньше в присутствии нано-γ-Аl₂O₃ . Полученные результаты объяснены реакциями активных частиц и радиолизом основных компонентов трансформаторного масла, атомов водорода и углеводородных радикалов с молекулами ТХБ и растворенного кислорода. Кроме того, имеет место передача энергии электронного возбуждения от молекул алканов и циклоалканов к молекулам ароматических углеводородов. Влияние нано-γ-Аl₂O₃ на процесс радиолиза смеси обсуждено на основе реакции электронных и дырочных центров с молекулами компонентов облучаемой смеси.

Ключевые слова: трансформаторное масло, 1,2,4–трихлорбензол, нано-γ-Al₂O₃, радиолиз, радиационно-химический выход.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-2-80-85

Памяти Аркадия Борисовича Цепелева..................................................................................................................................86