Influence of hydrogen implantation and oxidation on air on the structure and mechanical properties of nickel based coating PG-19-01

Influence of oxidation on air and hydrogen implantation on the structure and mechanical properties of nickel based coating PG-19N-01 deposited on iron and stainless steel C0.12Cr18Ni10Ti substrate and also of iron with plasma treatment of surface were studied. It is shown, that implantation by protons with energy from 0.6 to 1.6 MeV up to doze 3•10^18 proton/cm^2 lead to insignificant changes of structure and strength properties of PG-19N-01 coating. In the samples oxidized on air at temperatures 500 °С, 700 °С and 900 °С during three hours increase in microhardness and strength of the material at mechanical tests on static bend is observed.Вивчено вплив окислювання на повітрі й імплантації водню на структуру й механічні властивості нікелевих покриттів PG-19N-01, нанесених на залізну підкладинку та з нержавіючої сталі 30.12Cr18Ni10Ti підкдадинки, а також заліза із плазмовою обробкою поверхні. Показано, що імплантація протонами з енергією від 0,6 до 1,6 МеВ з дозою 3•10^18 протон/см^2 приводить до незначних змін структури й міцності характеристик покриття PG-19N-01. У зразках, окислених на повітрі при температурах 500 °С, 700 °С и 900 °С у плині 3-х годин спостерігалося збільшення мікротвердості й зміцнення матеріалу при механічних випробуваннях на статичний вигин.Изучено влияние окисления на воздухе и имплантации водорода на структуру и механические свойства никелевых покрытий PG-19N-01, нанесенных на железную подложку и из нержавеющей стали С0.12Cr18Ni10Ti подложки, а также железа с плазменной обработкой поверхности. Показано, что имплантация протонами с энергией от 0,6 до 1,6 МэВ с дозой 3•10^18 протон/см^2 приводит к незначительным изменениям структуры и прочностных характеристик покрытия PG-19N-01. В образцах, окисленных на воздухе при температурах 500 °С, 700 °С и 900 °С в течении 3-х часов наблюдалось увеличение микротвердости и упрочнения материала при механических испытаниях на статический изгиб

Properties of superhard nanostructured coatings Ti-Hf-Si-N

New superhard coatings based on Ti-Hf-Si-N featuring high physical and mechanical properties were fabricated. We employed a vacuum-arc source with HF stimulation and a cathode sintered from Ti-Hf-Si. Nitrides were fabricated using atomic nitrogen (N) or a mixture of Ar/N, which were leaked-in a chamber at various pressures and applied to a substrate potentials. RBS, SIMS, GT-MS, SEM with EDXS, XRD, and nanoindentation were employed as analyzing methods of chemical and phase composition of thin films. We also tested tribological and corrosion properties. The resulting coating was a two-phase, nanostructured nc-(Ti, Hf)N and α-Si3N4. Sizes of substitution solid solution nanograins changed from 3.8 to 6.5 nm, and an interface thickness surrounding α-Si3N4 varied from 1.2 to 1.8 nm. Coatings hardness, which was measured by nanoindentation was from 42.7 GPa to 48.6 GPa, and an elastic modulus was E = (450 to 515) GPa. The films stoichiometry was defined for various deposition conditions. It was found that in samples with superhard coatings of 42.7 to 48.6GPa hardness and lower roughness in comparison with other series of samples, friction coefficient was equal to 0.2, and its value did not change over all depth (thickness) of coatings. A film adhesion to a substrate was essentially high and reached 25MPa. В работе получены новые сверхтвердые покрытия на основе Ti-Hf-Si-N с высокими физико-механическими свойствами. В процессе синтеза методом вакуумно-дугового осаждения с применением ВЧ напряжения распылялся цельнолитой катод Ti-Hf-Si. Нитриды формировались в среде атомарного азота (N) или в смеси Ar/N, которые напускались в камеру при различных давлениях. Химический и фазовый составы тонких пленок анализировался методами RBS, SIMS, GT-MS, SEM с EDXS, РСА, а твердость определялась наноиндентированием. Исследовались трибологические и коррозионные свойства покрытий. Полученные покрытия являются двухфазными наноструктурированными nс-(Ti, Hf)N и α-Si3N4. Размеры нанозерен твердого раствора варьировались от 3,8 до 6,5 нм, а толщина окружающей оболочки α-Si3N4 менялась от 1,2 до 1,8 нм. Твердость покрытий H составляла 42,7 48,6 ГПа, а модуль упругости Е принимал значения от 450 ГПа до 515 ГПа. Определена стехиометрия пленок при различных условиях осаждения. Установлено, что в образцах сверхтвердых покрытий с твердостью 42,7 48.6 ГПа наблюдалась более низкая шероховатость по сравнению с другими образцами, коэффициент трения составлял 0,2, и его значение не изменялось по всей глубине (толщине) покрытия. Адгезия пленки к подложке достигла 25 МПа. У роботі отримані нові надтверді покриття на основі Ti-Hf-Sі-N з високими фізико-механічними властивостями. У процесі синтезу методом вакуумно-дугового осадження із застосуванням ВЧ напруги розпорошувався суцільнолитий катод Tі-Hf-Sі. Нітриди формувалися у середовищі атомарного азоту (N) або у суміші Ar/N, які напускалися у камеру при різних тисках. Хімічний і фазовий склади тонких плівок аналізувалися методами RBS, SІMS, GT-MS, SEM з EDXS, РСА, а твердість визначалася наноіндентуванням. Досліджувалися трибологічні та корозійні властивості покриттів. Отримані покриття є двофазними наноструктурованими nс-(Tі, Hf)N і -Sі3N4. Розміри нанозерен твердого розчину варіювалися від 3,8 до 6,5 нм, а товщина навколишньої оболонки -Sі3N4 змінювалася від 1,2 до 1,8 нм. Твердість покриттів H становила 42,7 48,6 ГПа, а модуль пружності Е приймав значення від 450 ГПа до 515 ГПа. Визначено стехіометрію плівок при різних умовах осадження. Встановлено, що у зразках надтвердих покриттів із твердістю 42,7 48.6 ГПа спостерігалася нижча шорсткість у порівнянні з іншими зразками, коефіцієнт тертя становив 0,2, і його значення не змінювалося за глибиною (товщиною) покриття. Адгезія плівки до підкладки досягла 25 МПа

HIBP diagnostic for Uragan-2M stellarator

The project of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic system for stellarator Uragan-2M is presented. The device Uragan-2M is the flexible torsatron machine with small helical ripples and considerably high size and magnitude of the magnetic field (R = 170 cm, ape = 22 , B0 = 0.8…2.4 T, l = 2, m = 4). Necessary calculations by using the computer code made in HIBP group to optimize HIBP diagnostic set for stellarator Uragan-2MПредставлено проект системи діагностики зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ) для стеларатора Ураган-2М. Установка Ураган-2М являє собою гнучкий торсатрон з малими гелікоїдальними гофрами, з великими розмірами й величиною магнітного поля (R = 170 см, ape = 22 см, B0 = 0.8...2.4 T, l = 2, m = 4). З метою оптимізації параметрів діагностичного пристрою для стеларатора Ураган-2М проведено розрахунки з використанням комп’ютерних програм, які були розроблені групою ЗППВІ- діагностики.Представлен проект системы диагностики зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ) для стелларатора Ураган-2М. Установка Ураган-2М представляет собой гибкий торсатрон с малыми геликоидальными гофрами, с большими размерами и величиной магнитного поля (R = 170 см, ape = 22 см, B0 = 0.8...2.4 T, l = 2, m = 4). С целью оптимизации параметров диагностического устройства для стелларатора Ураган-2М проведены расчеты с использованием компьютерных программ, разработанных в группе ЗППТИ- диагностики

The development of light ion injector for the plasma diagnostic system based on beam emission spectroscopy

The development of light ion injector and neutralizer for the BES plasma diagnostic system and its first experimental results are presented in this work. This injector will be used for neutral beam plasma diagnostic systems. Diagnostic systems based on neutral beams of Li or Na atoms can be used to study the spatial plasma density profiles, impurity ions and magnetic field distribution in the border region of the plasma fusion devices. This method is based on the detection of the probe beam glow of atoms excited by the plasma electrons. These diagnostic systems consist of two main parts – the neutral beam injector (including the ion beam accelerator and neutralizer) and the secondary light signal registration system. Light ion beam accelerator based on the five-electrode ion-optical system, in contrast to the classical three-electrode system, delivers beams of lithium or sodium with current 3…5 mA at a beam energy 20…25 keV. The neutralizer is based on the supersonic jet of sodium vapor formed by Laval nozzle. The first experiments of neutralizing the ion beam with a transverse supersonic atomic jet was done.Представлена разработка инжектора легких ионов и нейтрализатора для ПЭС-системы диагностики плазмы и первые экспериментальные результаты. Этот инжектор будет использован для диагностики плазмы с помощью пучка нейтральных атомов. Диагностические системы, основанные на нейтральных пучках атомов Li или Na, могут быть использованы для исследования пространственных профилей плотности плазмы, примесей ионов и распределения магнитного поля в пограничных областях плазмы термоядерных установок. Этот метод основан на регистрации свечения атомов зондирующего пучка, возбуждаемых электронами плазмы. Эти диагностические системы состоят из двух основных частей: инжектора нейтральных атомов (включающего ускоритель пучка ионов и нейтрализатор) и системы регистрации излучения. Ускоритель легких ионов, базирующийся на пятиэлектродной ионно-оптической системе, в отличие от классической трехэлектродной, позволяет получать пучки ионов лития или натрия с током 3…5 мА при энергии пучка 20…25 кэВ. Нейтрализатор основан на сверхзвуковой струе паров натрия, формируемой с помощью сопла Лаваля. Проведены первые эксперименты по нейтрализации пучка ионов с помощью поперечной сверхзвуковой струи.Представлена розробка інжектора легких іонів і нейтралізатора для системи ПЕС діагностики плазми та перші експериментальні результати. Цей інжектор буде використаний для діагностики плазми за допомогою пучка нейтральних атомів. Діагностичні системи, засновані на нейтральних пучках атомів Li або Na, можуть бути використані для дослідження просторових профілів густини плазми, домішкових іонів і розподілу магнітного поля в приграничних областях плазми термоядерних установок. Цей метод заснований на реєстрації світіння атомів зондуючого пучка, збуджуваних електронами плазми. Ці діагностичні системи складаються з двох основних частин: інжектора нейтральних атомів (що включає прискорювач пучка іонів і нейтралізатор) та системи реєстрації випромінювання. Прискорювач легких іонів, який базується на п’ятиелектродній іонно-оптичній системі, на відміну від класичної трьохелектродної, дозволяє отримувати пучки іонів літію або натрію зі струмом 3…5 мА при енергії пучка 20…25 кеВ. Нейтралізатор заснований на надзвуковому струмені пари натрію, формованої за допомогою сопла Лаваля. Проведені перші експерименти з нейтралізації пучка іонів за допомогою поперечного надзвукового струменя

Investigations of thermo-ionic emitters of heavy alkali metals for diagnostic injector of “Uragan-2M” stellarator

The results of solid-state thermo-ionic emitters of Cs⁺ and Tl⁺ ions investigations are presented. These emitters are planned to use in heavy ion beam diagnostic system for “Uragan-2M” stellarator. According to estimations for HIBP diagnostic system operations it is necessary to have primary beam current up to 0.5 mA. The aim of these investigations was determination of emission rate, mass-spectrum of ion beam during the beam extraction time and heavy ion beam current stability in area of 0.5 mA.Представлено результати досліджень твердотілих термоемітерів важких іонів Cs⁺ та Tl⁺ . Цей тип емітерів планується використати у діагностичному комплексі на стеллараторі «Ураган-2М». Згідно з проведеними розрахунками для роботи діагностичного комплексу на пучках важких іонів необхідна величина первинного струму біля 0.5 мА. Метою досліджень було визначення емісійної здатності емітерів, масового спектру потоку іонів у процесі відбору струму та стабільності величини струму іонів важких металів у режимі 0.5 мА.Представлены результаты исследований твердотельных термоэмиттеров тяжелых ионов Cs⁺ и Tl⁺. Данный тип эмиттеров планируется использовать в диагностическом комплексе на стеллараторе «Ураган-2М». Согласно проведенным расчетам, для работы диагностического комплекса необходима величина первичного тока ионов порядка 0.5 мА. Целью исследований было определение эмиссионной способности эмиттера, массового спектра потока ионов в процессе отбора тока и стабильности величины тока ионов тяжелых металлов в режиме 0.5 мА

HIBP diagnostic injectors for Uragan-2M and TJ-II stellarators

The testing and first operations of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic injectors for stellarator Uragan-2M and TJ-ІІ is presented in this work. The increasing of plasma density in modern fusion devices up to (3...7)×10^19m^-3 (TJ-ІІ and T-10) leads to huge probing ion beam absorption in central plasma area. One way to obtain the HIBP information from plasma centre is the increasing of primary ion beam current. A new modification of HIBP injectors for TJ-ІІ and Uragan 2M stellarators was developed and tested in IPP NSC KIPT with energy up to 100 keV and ion current up to 300 μA

Features of HIBP diagnostics application to stellarator-like devices

Features of heavy ion beam probe application to stellarator-like devices have been connected with specific stellarator characteristics: zero (negligible) plasma current, relatively high poloidal and stray magnetic fields, toroidal asymmetry of magnetic surfaces and various operational regimes connected with different magnetic configurations. This paper shows how to decrease the errors in HIBP measurements due to these disadvantages. Absence of the plasma current in stellaratorlike devices gives possibility to make secondary ion beam energy analyzer calibration in situ in each plasma shot. This advantage improves accuracy of plasma potential measurements by HIBP diagnostic on TJ-II stellarator.Можливості застосування діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів у пристроях стеллараторного типу зв’язанізі специфічними характеристиками стеллараторів: практично нульовий струм плазми, відносно високізначення полоідальних і розсіяних магнітних полів, тороідальна асиметрія магнітних поверхонь; і різними режимами роботи з різними магнітними конфігураціями. Показано, як можна знизити рівень похибок НІВР вимірювань, зв’язаних з цими несприятливими умовами. Відсутність струму плазми у пристроях стеллараторного типу дає можливість проводити калібровку аналізатора енергій вторинного пучка іонів у кожному плазмовому розряді. Це дозволяє збільшити точність вимірювань потенціалу плазми за допомогою пучка важких іонів на стеллараторі TJ-II.Возможности применения диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов в установках стеллараторного типа связаны со специфическими характеристиками стеллараторов: практически нулевой ток плазмы, относительно высокие значения полоидальных и рассеянных магнитных полей, тороидальная ассиметрия магнитных поверхностей; и различными режимами работы с разными магнитными конфигурациями. Показано, как можно снизить уровень ошибок HIBP измерений, вызванных этими неблагоприятными условиями. Отсутствие тока плазмы в установках стеллаторного типа дает возможность проводить калибровку анализатора энергий вторичного пучка ионов непосредственно в каждом плазменном разряде. Это позволяет увеличить точность измерения потенциала плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на стеллараторе TJ-II