Structure and properties of TiOx and TiNxOy coatings formed in vacuum ARC plasma fluxes

The structure, microhardness and protective properties of titanium oxide and titanium oxynitride coatings formed in vacuum arc plasma fluxes depending on the negative potential on the substrate and the oxygen pressure, and also on the oxygen content in the gas mixture (N₂+ O₂) were studied. It is shown that titanium coatings deposited in a pure oxygen atmosphere at the pressure of 0.03 Pa represent a dispersed system of oxides in composition depends on the bias potential of the substrate. Unlike titanium oxide coatings, TiNxOy coatings are single-phase, which lattice parameter varies within the oxygen partial pressure. TiNxOy system has high microhardness (34 GPa), corrosion resistance and decorative properties of the coating deposition at optimal technological parameters.Вивчено структура, мікротвердість та захисні властивості оксидних та оксинітридних титанових покриттів, що утворюються в потоках плазми вакуумної дуги, в залежності від негативного потенціалу на підкладці та тиску кисню, а також від вмісту кисню в газовій суміші (N₂+O₂). Показано, що титанові покриття, осаджені в атмосфері чистого кисню під тиском 3×10⁻² Па, являють собою дисперсну систему оксидів, склад яких залежить від потенціалу зміщення підкладки. На відміну від покриттів з оксиду титану покриття TiNxOy є однофазними, параметр решітки яких залежить від парціального тиску кисню. При оптимальних технологічних параметрах нанесення покриття система TiNxOy має високі мікротвердість (34 ГПа), корозійну стійкість та декоративні властивості.Изучены структура, микротвердость и защитные свойства оксидных и оксинитридных титановых покрытий, образующихся в потоках плазмы вакуумной дуги, в зависимости от отрицательного потенциала на подложке и давления кислорода, а также от содержания кислорода в газовой смеси (N₂+ O₂). Показано, что титановые покрытия, осажденные в атмосфере чистого кислорода при давлении 3×10⁻² Па, представляют собой дисперсную систему оксидов, состав которых зависит от потенциала смещения подложки. В отличие от покрытий из оксида титана покрытия TiNxOy являются однофазными, параметр решетки которых зависит от парциального давления кислорода. При оптимальных технологических параметрах нанесения покрытия система TiNxOy имеет высокую микротвердость (34 ГПа), коррозионную стойкость и декоративные свойства

Influence of Deuterium Ion Implantation on the Structure and Hardness of Nanocrystalline Films

Titanium nitride based coatings are very attractive for protection of materials in extreme conditions. However, their behavior under different kinds of irradiation is not entirely well understood. In this work, the influence of ion-implanted deuterium on changes of the structure and mechanical properties TiZrN, TiAlSiN, TiAlYN films were investigated. Films were deposited by filtered vacuum arc plasma technique. After deposition all films were irradiated at room temperature with 12 keV D+ ions to dose 1 1018 D/cm2. Composition, structure and nanohardness of the coatings were determined by X-ray fluorescence method, X-ray diffraction and nanoindentation. The effusion of the implanted deuterium was studied by thermal desorption spectroscopy. It is shown that irradiation by deuterium ions does not make structural changes in multicomponent films. Deuterium thermal desorption spectrum of various coatings are substantially different. Nanohardness of all investigated coatings after irradiation and thermal desorption are decreased. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3545

Properties of Coatings Deposited from Filtered Vacuum Arc Plasma with HEA Cathode

Ti-V-Zr-Nb-Hf metallic and nitride films were deposited by filtered vacuum arc plasma from a single equiatomic HEA cathode. The composition, microstructure, mechanical properties, thermal stability and corrosion properties were investigated. The deposited metallic film has a two-phase structure with bcc and hcp-lattice. The nitride films were found to have only an fcc structure. All coatings have nano-grained structures, with grain sizes 5 nm for metallic and 36 nm for nitride. The nitride coatings have a compressive stress of around – 12,5 GPa, high hardness ~ 40 GPa and elastic modulus ~ 450 GPa. After annealing in vacuum in range 400-1200 °C, 3 h for every temperature, hardness decreased to 25 GPa. It was found that both the metallic and nitride coatings exhibited their best corrosion resistance than steel samples in a 3,5 wt. % NaCl solution. The metallic coatings showed better corrosion resistance than the nitride coatings. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3532

Effects of Deuterium Implantation Dose on Hardness and Deuterium Desorption Temperature Range from High Entropy TiVZrNbHf and TiVZrNbHfN Coatings

High entropy TiVZrNbHf and TiVZrNbHfN coatings prepared by filtered vacuum arc plasma from a single equiatomic HEA cathode. Similarly were obtained titanium and titanium nitride coatings. The structure of coatings was investigated by X-ray analysis and the changes in nanohardness by nanoindentation method. The effusion of the implanted deuterium was studied by thermal desorption spectroscopy (TDS). It is shown that the structure of effusion spectrum is a function of deuterium dose. With increasing implantation dose deuterium desorption temperature range from coatings is expanding in the direction of lowering the temperature and the temperature of the peak maximum gas emission gradually shifts to lower temperatures. For nitride coatings deuterium desorption starts at about room temperature and the maximum rate of desorption at a temperature of ~500 K. When irradiation doses more than 5×1017 D/cm2 hardness of nitride coatings decreased by half. Hardness reduction of coatings is caused by occurrence hydride structural formations in coatings. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3536

Thermophysical properties of fuel clading with various vacuum-arc coatings

The developed research technique for determining emissivity of thin-walled cylindrical samples was used to investigate, in the mode of heat transfer by radiation, thermophysical properties of Zr1Nb fuel cladding samples with different coatings deposited by vacuum-arc method. It has been shown that CrN coating, compared to Zr1Nbbase alloy and Cr coating, can ensure a more effective heat expulsion by radiation in the event of loss-of-coolant accident and high temperature excursion This occurs according to the Stefan-Boltzmann radiation law and due to a higher value of total emissivity for CrN.З використанням розробленої методики визначення випромінювальної здатності тонкостінних циліндричних зразків досліджено теплофізичні властивості в режимі теплопереносу випромінюванням зразків оболонки твела зі сплаву Zr1Nb з різними покриттями, нанесеними вакуумно-дуговим методом. Показано, що покриття CrN, в порівнянні з базовим сплавом Zr1Nb і покриттям Cr, може забезпечити більш ефективне знімання тепла випромінюванням у разі аварії з втратою теплоносія і підвищенням температури, що пов'язується з дією закону Стефана-Больцмана і більш високим значенням інтегрального ступеня чорноти CrN.Используя разработанную методику определения излучательной способности тонкостенных цилиндрических образцов, исследовали теплофизические свойства в режиме теплопереноса излучением образцов оболочки твэла из сплава Zr1Nb с различными покрытиями, нанесенными вакуумно-дуговым методом. Показано, что покрытие CrN, по сравнению с базовым сплавом Zr1Nb и покрытием Cr, может обеспечить более эффективный съем тепла излучением в случае аварии с потерей теплоносителя и повышением температуры, что связывается с действием закона Стефана-Больцмана и более высоким значением интегральной степени черноты CrN

Surface morphology and sputtering of FeCrAl coating on steel exposed to low-energy deuterium plasmas

Processes of sputtering and surface modification of FeCrAl coatings deposited on steel by vacuum arc was studied under the influence of low-energy (500 eV) deuterium plasma with fluence (4⋅10²⁴) D+/m² at room temperature. It was determined the composition of coatings by an energy dispersive X-ray spectrometer allowed to establish that the elements in the coatings are distributed more evenly when it coated in a nitrogen atmosphere. Results of erosion studies indicated that the sputtering yields for deuterium on coatings are 1.3…0.45 at./ion and at least two-three times less in comparison with initial alloys and published data for pure iron and chromium. For coatings deposited in a nitrogen atmosphere found that the obtained sputtering coefficients are almost an order of magnitude smaller in comparison with published data for pure iron and chromium and only 1.8 times higher compared to tungsten.Процеси напилення і модифікації поверхні покриттів FeCrAl, нанесених на сталь вакуумною дугою, вивчали під впливом низькоенергетичної (500 еВ) плазми дейтерію з флюенсом (4⋅10²⁴) D+/m² при кімнатній температурі. Було визначено склад покриттів за допомогою енергодисперсійного рентгенівського спектрометра: це дозволило встановити, що елементи в покритті розподіляються більш рівномірно при нанесенні покриття в атмосфері азоту. Результати ерозійних досліджень показали, що коефіцієнти розпилення дейтерію на покриттях становлять 1,3…0,45 ат./іон і, як мінімум, в два-три рази менші в порівнянні з вихідними сплавами і опублікованими даними для чистого заліза і хрому. Для покриттів, нанесених в атмосфері азоту, встановлено, що отримані коефіцієнти розпилення майже на порядок менші в порівнянні з опублікованими даними для чистого заліза і хрому та лише в 1,8 рази вищі в порівнянні з вольфрамом.Процессы напыления и модификации поверхности покрытий FeCrAl, нанесенных на сталь вакуумной дугой, изучали под воздействием низкоэнергетической (500 эВ) плазмы дейтерия с флюенсом (4⋅10²⁴) D+/m² при комнатной температуре. Был определен состав покрытий с помощью энергодисперсионного рентгеновского спектрометра: это позволило установить, что элементы в покрытии распределяются более равномерно при нанесении покрытия в атмосфере азота. Результаты эрозионных исследований показали, что коэффициенты распыления дейтерием покрытий составляют 1,3…0,45 ат./ион и, как минимум, в два-три раза меньше по сравнению с исходными сплавами и опубликованными данными для чистого железа и хрома. Для покрытий, нанесенных в атмосфере азота, установлено, что полученные коэффициенты распыления почти на порядок меньше по сравнению с опубликованными данными для чистого железа и хрома и лишь в 1,8 раза выше по сравнению с вольфрамом

Blistering of W, Ta and W-Ta coatings under the influence of particles of low-energy hydrogen plazma

The surface topography and deuterium retention in W, Ta and W-Ta coatings under the influence of low-energy deuterium plasma was studied. It was observed formation of blisters as dome and burst or delaminated structures. The W-Ta coatings showed improved characteristics: smaller sizes and density of blisters and a significantly lower thickness of the delaminated layer.Вивчено зміну топографії поверхонь покриттів W, Ta і W-Ta і вміст дейтерію під дією частинок низькоенергетичної водневої плазми. Спостерігалося утворення блістерів куполоподібної форми, відшарування та лущення. Покриття W-Ta показали поліпшені характеристики: менші розміри і знижену густину блістерів і значно меншу товщину відшарованого шару.Изучены изменение топографии поверхности покрытий W, Ta и W-Ta и накопление дейтерия под действием частиц низкоэнергетической дейтериевой плазмы. Наблюдалось образование блистеров куполообразной формы, отслаивание и шелушение. Покрытия W-Ta показали улучшенные характеристики: меньшие размеры и плотность блистеров и значительно уменьшенную толщину отслаиваемого слоя

Protective vacuum-arc coatings on zirconium alloy fuel cladding to prevent catastrophic accidents at nuclear reactors

The processes of vacuum arc deposition of multicomponent coatings based on Cr, Ti, Al, Fe, Y, Si, and their nitrides with a thickness of 5…9 μm for the protection of zirconium alloy fuel rods were developed. The composition, structure, and mechanical properties of the coatings were determined by electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction analysis, and nanoindentation. Comparative studies of the protective properties of coatings during high-temperature oxidation of Zr1Nb tubes were carried out. It was found that metal coatings with a high chromium content have excellent protective properties during tests under simulated accident conditions. They are simultaneously resistant to high-temperature corrosion in air at 750…1100 °C and in water steam during thermal cycling up to 1020 °C. Hard nitride coatings, which significantly strengthen the surface of the zirconium alloy and provide good protection against oxidation in air, are less effective in water steam under thermal cycling. The coatings and processes of synthesis developed at NSC KIPT can be useful for improving fuel cladding made of zirconium alloys of the world’s leading nuclear fuel producer Westinghouse Electric Company.Розроблено процеси вакуумно-дугового осадження багатокомпонентних покриттів на основі Cr, Ti, Al, Fe, Y, Si та їх нітридів товщиною 5…9 мкм для захисту оболонок твелів з цирконієвих сплавів. Склад, структуру та механічні властивості покриттів визначено методами електронної мікроскопії, енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії, рентгеноструктурного аналізу та наноіндентування. Проведено порівняльні дослідження захисних властивостей покриттів при високотемпературному окисленні труб Zr1Nb. Було виявлено, що металеві покриття з високим вмістом хрому мають високі захисні властивості під час випробувань в імітованих умовах аварії. Вони одночасно стійкі до високотемпературної корозії на повітрі при температурі 750…1100 °С і у водяній парі при термоциклуванні до 1020 °С. Тверді нітридні покриття, які значно зміцнюють поверхню цирконієвого сплаву і добре захищають від окислення на повітрі, менш ефективні в парах води при термоциклуванні. Розроблені у ННЦ ХФТІ покриття та процеси синтезу можуть бути корисні при вдосконалені топливних оболонок із сплавів цирконію провідного світового виробника ядерного палива Westinghouse Electric Company

Role of surface layer nanosrtucturing in improving mechanical and corrosion properties of reactor materials

The results of investigations into the influence of the ion-plasma treatment (IPT), including the ion implantation and ion-plasma coating deposition, on the mechanical properties and corrosion resistance of nuclear fuel cladding tubes made of zirconium alloy (Zr1%Nb) are presented. The tests of cladding samples have been performed at two temperatures between 20 and 350 °С. It is shown that the deposition of TiN, Ti+TiN, TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN coatings improves mechanical properties of the sample surface, as well as, leads to the hardening of Zr1%Nb fuel cladding as a whole. The efficiency of hardening by implantation with (Zr, Mo) and gaseous (N₂, O₂) ions depends on the kind of ions and their energy. The nanostructure TiAlSiN and TiAlYN coatings improve the corrosion resistance of zirconium alloy. The results of experiments on hardening of fuel cladding tubes are explained by the state of the coating-surface interface.Представлені результати впливу іонно-плазмової обробки (ІПО), що включає іонну імплантацію і осадження іонно-плазмових покриттів, на механічні властивості і корозійну стійкість зразків з твельних трубок цирконієвого сплаву Zr1%Nb. Випробування проведені при двох температурах: 20 і 350 °С. Показано, що нанесення покриттів TiN, Ti+TiN, TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN призводить до різного підвищення механічних властивостей не тільки поверхні зразків, але і до об'ємного зміцнення трубок зі сплаву Zr1%Nb. Ефективність зміцнення при імплантації металевими (Zr, Mo) і газовими (N₂, O₂) іонами залежить від виду і енергії іонів. Наноструктурні покриття TiAlSiN, TiAlYN збільшують корозійну стійкість цирконієвого сплаву в два рази. Отримані експериментальні результати по зміцненню твельних трубок пояснюються станом інтерфейсу між покриттям і підкладкою.Представлены результаты влияния ионно-плазменной обработки (ИПО), включающей ионную имплантацию и осаждение ионно-плазменных покрытий, на механические свойства и коррозионную стойкость образцов из твэльных трубок циркониевого сплава Zr1%Nb. Испытания проведены при двух температурах: 20 и 350 °С. Показано, что нанесение покрытий TiN, Ti+TiN, TiAlN, TiAlSiN, TiAlYN приводит к различному повышению механических свойств не только поверхности образцов, но и к объемному упрочнению трубок из сплава Zr1%Nb. Эффективность упрочнения при имплантации металлическими (Zr, Mo) и газовыми (N₂, O₂) ионами зависит от вида и энергии ионов. Наноструктурные покрытия TiAlSiN, TiAlYN увеличивают коррозионную стойкость циркониевого сплава. Полученные экспериментальные результаты по упрочнению твэльных трубок объясняются состоянием интерфейса между покрытием и подложкой

Resistance of titanium alloys to cavitation wear

The wear rate of titanium alloys VT1-0, TC5, VT6, VT14, OT4 under the action of microshocks due to cavitation, which is created in distilled water under the surface of the ultrasonic wave emitter, were determined. It was found that the increase in hardness and improvement of cavitation wear resistancefor these alloys depends on the alloying elements, and is also increased after heat treatment and ion-plasma modification of the sample surface. Although no unambiguous correlation was found between the structural class of the alloys and their cavitation wear. Due to ion-plasma modification of alloys, the cavitation wear resistanceis increased by several times, in particular, the VT6 alloy by 3 times. The phase composition of the samples before and after ion-plasma modification was studied and it was found that alloy resistance to cavitation significantly depends on it.Визначена швидкість зношування титанових сплавів ВТ1-0, ТС5, ВТ6, ВТ14, ОТ4 під дією мікроударів у результаті дії кавітації, яка створюється в дистильованій воді під поверхнею випромінювача ультразвукових хвиль. Встановлено, що підвищення твердості та покращення кавітаційної стійкості для цих сплавів залежать від легуючих елементів, а також збільшуються після термічної обробки та іонно-плазмової модифікації поверхні зразка. Однозначної кореляції між структурним класом сплавів та кавітаційним зносом не виявлено. Внаслідок іонно-плазмової модифікації сплавів стійкість до кавітаційного зносу збільшується в кілька разів, зокрема сплаву ВТ6 у 3 рази. Досліджено фазовий склад зразків до і після іонно-плазмової модифікації та встановлено, що від нього суттєво залежить стійкість сплаву до кавітації.Определена скорость износа титановых сплавов ВТ1-0, ТС5, ВТ6, ВТ14, ОТ4 под действием микроударов в результате действия кавитации, которая создается в дистиллированной воде под поверхностью излучателя ультразвуковых волн. Установлено, что повышение твердости и улучшение кавитационной устойчивости для этих сплавов зависят от легирующих элементов, а также увеличиваются после термической обработки и ионно-плазменной модификации поверхности образца. Однозначной корреляции между структурным классом сплавов и кавитационным износом не обнаружено. Вследствие ионно-плазменной модификации сплавов стойкость к кавитационному износу увеличивается в несколько раз, в частности сплава ВТ6 в 3 раза. Исследован фазовый состав образцов до и после ионно-плазменной модификации и установлено, что от него существенно зависит стойкость сплава к воздействию кавитации