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

Deposition of chromium nitride coatings from vacuum arc plasma in increased nitrogen pressure

The application of protective coatings on metal materials is the effective way to improve their durability. Chromium nitride coatings are applied mainly on tools due to good resistivity to oxidation compared to other metal nitride coatings and good wear resistance. Some characteristics of the coatings deposited in fixed position in regard of chromium cathode on the samples parallel directed to it and the other arranged opposite in the nitrogen pressure ranged from 0.5 to 3.0 Pa are investigated.Применение защитных покрытий на металлических материалах является эффективным способом улучшения их прочности. Покрытия из нитрида хрома применяются в основном на инструменте благодаря хорошему сопротивлению окислению, по сравнению с другими нитридными покрытиями, и хорошей износостойкости. Были исследованы некоторые характеристики покрытий, осажденных в фиксированном положении на лицевую и обратную стороны образцов, установленных в плоскости, параллельной по отношению к хромовому катоду, в диапазоне давлений азота от 0,5 до 3,0 Па.Застосування захисних покриттів на металевих матеріалах є ефективним способом поліпшення їх міцності. Покриття з нітриду хрому застосовуються в основному на інструменті завдяки гарному опору окисленню, в порівнянні з іншими нітридними покриттями та добрій зносостійкості. Були досліджені деякі характеристики покриттів, осаджених у фіксованому положенні на лицьову і зворотну сторони зразків, встановлених в площині, паралельній по відношенню до хромового катода, в діапазоні тисків азоту від 0,5 до 3,0 Па

Cavitation erosion of Ti-6Al-4V alloy with vacuum-arc TiN and CrN coatings

The distilled-water cavitation erosion resistance of Ti-6Al-4V alloy with vacuum-arc TiN and CrN coatings is investigated. The results show that the coatings having high mechanical properties are capable to reduce appreciably the cavitation erosion of the alloy by prolonging the incubation period of fracture and by decreasing the mass loss. Preliminary ion-plasma nitriding of the alloy leads to the formation under the coating of a solid transition layer which enhances the coating alloy adhesion and so increases the alloy resistance to the cavitation erosion.Досліджено стійкість до кавітації в дистильованій воді сплаву Ti-6Al-4V з вакуумно-дуговими покриттями TiN і CrN. Показано, що покриття, які мають високі механічні властивості, істотно знижують кавітаційний знос сплаву, подовжуючи інкубаційний період руйнування і знижуючи втрату маси. Попереднє іонно-плазмове азотування сплаву призводить до формування під покриттям твердого перехідного шару, який покращує адгезію покриття до металу і тим самим збільшує його стійкість до кавітаційного руйнування.Исследована стойкость к кавитации в дистиллированной воде сплава Ti-6Al-4V с вакуумно-дуговыми покрытиями TiN и CrN. Показано, что покрытия, обладающие высокими механическими свойствами, существенно снижают кавитационный износ сплава, продлевая инкубационный период разрушения и снижая потерю массы. Предварительное ионно-плазменное азотирование сплава приводит к формированию под покрытием твердого переходного слоя, который улучшает адгезию покрытия к сплаву и тем самым увеличивает его стойкость к кавитационному разрушению

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

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

Effect of nitrogen pressure on the structural and mechanical properties of V-Mo-N coatings deposited by cathodic arc evaporation

The coatings of the V-Mo-N system were deposited by the cathodic arc evaporation method from the unfiltered plasma of two V and Mo cathodes. Electron microscopy, energy dispersive analysis, X-ray diffractometry, nanoindentation, and adhesion testing have been used to study the effect of nitrogen pressure during deposition on surface morphology, composition, structure, and mechanical properties of coatings. It was found that at a nitrogen pressure of 1 Pa the V₂₉Mo₂₁N₅₀ coating formed with a predominantly cubic c-(V,Mo)N structure and an insignificant fraction of hexagonal h-(Mo,V)N. With an increase in the pressure of the reaction gas to 2…3 Pa, a gradual increase in the concentration of nitrogen up to 54 at.% and molybdenum up to 26 at.% is observed, which leads to a slight increase in the hexagonal phase concentration. All coatings are characterized by a fairly good surface quality, high hardness of 30…32 GPa and adhesion to the steel substrate. The c-(V,Mo)N coating has better resistance to crack propagation, correlates with a maximum H³/E² – 0.18, and combines high hardness and ductility.Покриття системи V-Mo-N осаджували вакуумно-дуговим методом з нефільтрованої плазми двох катодів з V та Mo. Методами електронної мікроскопії, енергодисперсійного аналізу, рентгенівської дифрактометрії, наноіндентування та адгезійного тестування досліджено вплив зміни тиску азоту при осадженні на морфологію поверхні, склад, структуру та механічні властивості покриттів. З’ясовано, що при тиску азоту 1 Па формується покриття V₂₉Mo₂₁N₅₀ з переважно кубічною структурою c-(V,Mo)N і незначною часткою гексагонального h-(Mo,V)N. Збільшення тиску реакційного газу до 2…3 Па викликає поступове зростання концентрації азоту до 54 ат.% і молібдену до 26 ат.%, що призводить до невеликого збільшення вмісту гексагональної фази. Усі покриття характеризуються достатньо гарною якістю поверхні, високими показниками твердості (30…32 ГПа) та адгезії до сталевої підкладки. Покриття c-(V,Mo)N демонструють при навантаженні кращу стійкість до поширення тріщин, що корелює з максимальним значенням параметрa H³/E² – 0,18, і також поєднання високої твердості та пластичності

Structure and properties of W, Ta and W-Ta coatings deposited with the use of a gas-plasma source

W, Ta and W-Ta coatings were deposited by argon ion sputtering of targets made from appropriate metals using the gas plasma source. Mechanical properties of the obtained coatings were investigated by the methods of X-ray fluorescence analysis, scanning electron microscopy, X-ray diffraction analysis and nanoindentation. It has been shown that the coatings have a bcc structure with crystallite size from 16 to 30 nm. Single-component coatings have a columnar structure. Introduction of Ta (5…38%) in the W coating leads to the columnar growth suppression and formation of a condensate with more equiaxial elements. Coatings with such a structure possess the best mechanical properties (H/E-0.7…0.77).За допомогою джерела газової плазми, шляхом розпилення іонами аргону мішеней з відповідних металів отримані W, Ta і W-Ta-покриття. Методами рентгенофлюоресцентного аналізу, скануючої електронної мік-роскопії, рентгеноструктурного аналізу та наноіндентування вивчені: склад, структура, а також механічні властивості отриманих покриттів. Показано, що покриття володіють ОЦК-структурою з розміром ОКР від 16 до 30 нм. Однокомпонентні покриття володіють стовбчастою структурою. Введення до складу W-покриття Та (5…38 мас.%) призводить до припинення стовпчастого росту і формуванню конденсату з більш равновісними структурними елементами. Покриття з такою структурою володіють кращими механічними властивостями (Н/Е-0,7...0,77).С помощью источника газовой плазмы, путем распыления ионами аргона мишеней из соответствующих металлов получены W, Ta и W-Ta-покрытия. Методами рентгенофлюоресцентого анализа, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и наноиндентирования изучены: состав, структура, а также механические свойства полученных покрытий. Показано, что покрытия обладают ОЦК-структурой с размером ОКР от 16 до 30 нм. Однокомпонентные покрытия обладают столбчатой структурой. Введение в состав W-покрытия Та (5...38 мас.%) приводит к подавлению столбчатого роста и формированию конденсата с более равноосными структурными элементами. Покрытия с такой структурой обладают наилучшими механическими свойствами (Н/Е-0,7...0,77)

Deposition of TiN-based coatings using vacuum arc plasma in increased negative substrate bias voltage

The paper presents the results of the study on the influence of a high substrate bias voltage from 300 up to 1300 V on the titanium nitride coating deposition under nitrogen pressure of 2 Pa. The deposition rate, phase and chemical composition, adhesion and mechanical properties of coatings, macroparticle number and size distribution were investigated.Представлені результати дослідження впливу високої напруги зсуву підкладки від 300 до 1300 В на осадження покриттів нітриду титану при тиску азоту 2 Па. Вивчені швидкість осадження, фазовий і хімічний склад, адгезія і механічні властивості покриттів, кількість і розподіл за розмірами макрочасток.Представлены результаты исследования влияния высокого напряжения смещения подложки от 300 до 1300 В на осаждение покрытий нитрида титана при давлении азота 2 Па. Изучены скорость осаждения, фазовый и химический составы, адгезия и механические свойства покрытий, количество и распределение по размерам макрочастиц