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 Concentration Titanium on Threshold Character of Deuterium Desorption Temperature Range from Mg-based Composites

The plasma evaporation-sputtering method was applied to make composite materials of the Mg-Ti system. The ion-implanted deuterium desorption temperature variations as a function of the component concentration were studied. It has been established that, by introducing titanium into magnesium, the deuterium desorption temperature can be appreciably decreased (to 400-450 K) in comparison with the case of deuterium desorption from magnesium ( 800 K). A step-like shape of the curve of deuterium desorption temperature evidences on the presence of two different structure states of the Mg-Ti system depending on the ratio of components. The deuterium temperature decrease can be caused by filamentary inclusions of insoluble component (titanium) atoms formed in the process of composite making and annealing, providing the deuterium diffusion from the sample at a lower temperature (channels for deuterium diffusion through the surface barrier). The deuterium desorption data obtained on the example of Mg-Ti, Mg-V and Mg-Zr composites provide support for further research into hydrogen storage materials containing low-soluble chemical elements in the alloy component. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3550

Comparison of blistering of W bulk and coatings under H₂, D₂ and He plasma irradiation

The surface topography of W bulk prepared by powder sintering (20 μm thickness) and W coatings deposited by cathodic arc evaporation and by argon ion sputtering was studied under the influence of low-energy hydrogen (deuterium) and helium plasma at room temperature. The surface modifications induced by the plasma irradiation were studied by scanning electron microscopy. It was observed formation of blisters and sputtering. After helium and deuterium plasma irradiation, numerous blisters were observed on the surface of W foils samples and coatings deposited by argon ion sputtering. The surface of W coatings deposited by cathodic arc evaporation was undergone only sputtering process under the same irradiation conditions.Вивчено зміну топографії поверхні масивного вольфраму, отриманого методом порошкового спікання (товщиною 20 мкм), і W-покриттів осадженими вакуумно-дуговим методом та іонним розпиленням під впливом низькоенергетичної водневої (дейтерієвої) і гелієвої плазми при кімнатній температурі. Поверхневі модифікації, індуковані плазмовим опроміненням, вивчалися за допомогою сканувальної електронної мікроскопії. Після опромінення гелієвою і дейтерієвою плазмою на поверхні зразків фольги W і покриттів, нанесених іонним розпиленням, спостерігалися численні блістери. Поверхня W-покриттів, осаджених вакуумно-дуговим способом, піддавалася тільки розпорошенню при тих же умовах опромінення.Изучены изменения топографии поверхности массивного вольфрама, полученного методом порошкового спекания (толщиной 20 мкм), и W-покрытий осажденными вакуумно-дуговым методом и ионным распылением под воздействием низкоэнергетической водородной (дейтериевой) и гелиевой плазмы при комнатной температуре. Поверхностные модификации, индуцированные плазменным облучением, изучались с помощью сканирующей электронной микроскопии. После облучения гелиевой и дейтериевой плазмой на поверхности образцов фольги W и покрытий, нанесенных ионным распылением, наблюдались многочисленные блистеры. Поверхность W-покрытий, осажденных вакуумно-дуговым способом, подвергалась только распылению при тех же условиях облучения

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

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

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

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

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