Influence of surface pre-heating on the nitriding depth of steel 25CrMoVA used complex ion-plasma treatment

In the method of nitriding elements, various methods of their thermal heating are used. The simplest heating method in ion-plasma nitriding is heating by bombarding the surface first with low-energy gas ions and then with metal ions with energies up to several kiloelectronvolt. Elements exposed to ion bombardment have a welldeveloped surface that is free from contaminants and facilitates the diffusion of nitrogen into the depth of the metal during nitriding. The paper studies the effect of various preliminary heating methods on the nitriding depth in the complex ion-plasma hardening technology of 25CrMoVA steel. A JSM 7000-1F scanning electron microscope equipped with an X-ray spectral energy dispersive microanalysis attachment was used to diagnose changes occurring on the surface of the samples and at depth; the hardness was measured using a Nanoindentor G200 device. The preliminary heating of the samples was carried out both with the use of bombardment with Ti or Mo ions, and without its direct effect on the heated surface. In the experiment, differences in the depth of hardening of the nitrided layer of steel are observed when it is heated in different ways. When bombarded with Mo ions, the greatest depths of hardening were obtained in comparison with other preliminary heating conditions. It is shown that these differences are associated with the features of the morphology of the steel surface formed as a result of sputtering processes. The formation of nitride compounds in its surface layer can serve as a barrier that slows down the penetration of nitrogen into the metal. It is shown that with complex treatment in the process of deposition of a nitride coating on the surface of nitrided steel, an additional increase in the depth of hardening of the nitrided layer occurs.В технології азотування деталей використовують різні способи їх термічного нагріву. Найбільш простим способом нагріву при іонно-плазмовому азотуванні є нагрів за допомогою бомбардування поверхні спочатку газовими іонами низьких енергій, а потім іонами металів з енергіями до декількох кілоелектронвольт. Деталі, які піддавалися іонному бомбардуванню, мають очищену від забруднень і розвинену поверхню, що сприяє дифузії азоту вглиб металу при азотуванні. В роботі досліджено вплив різних способів попереднього нагріву на глибини азотування при комплексній іонно-плазмовій технології зміцнення сталі 25Х1М1Ф. Для діагностики змін, що відбуваються на поверхні зразків і на відстані від неї вглиб металу, застосовували скануючий електронний мікроскоп JSM 7000-1F, оснащений приставкою рентгеноспектрального енергодисперсійного мікроаналізу, і проводили вимірювання твердості за допомогою приладу Nanoindentor G200. Попередній нагрів зразків здійснювався як з використанням бомбардування іонами Ti або Mo, так і без його безпосереднього впливу на поверхню, що нагрівалася. В експерименті спостерігаються відмінності за глибиною зміцнення азотованого шару сталі при її нагріванні різними способами. При бомбардуванні іонами Мо отримані найбільші глибини зміцнення в порівнянні з іншими умовами попереднього нагрівання. Показано, що ці відмінності пов'язані з особливостями морфології поверхні сталі, сформованої в результаті розпилювальних процесів. Утворення нітридних з'єднань в її поверхневому шарі може служити бар'єром, що уповільнює проникнення азоту в метал. Показано, що при комплексній обробці в процесі осадження нітридних покриттів на поверхню азотованої сталі відбувається додаткове збільшення глибини зміцнення азотованого шару.В технологии азотирования деталей используют различные способы их термического нагрева. Наиболее простым способом нагрева при ионно-плазменном азотировании является нагрев с помощью бомбардировки поверхности сначала газовыми ионами низких энергий, а затем ионами металлов с энергиями до нескольких килоэлектронвольт. Детали, подвергнутые ионной бомбардировке, имеют очищенную от загрязнений и развитую поверхность, способствующую диффузии азота в глубину металла при азотировании. В работе исследовано влияние различных способов предварительного нагрева на глубину азотирования при комплексной ионно-плазменной технологии упрочнения стали 25Х1М1Ф. Для диагностики изменений, происходящих на поверхности образцов и на расстоянии от нее в глубину металла, применяли сканирующий электронный микроскоп JSM 7000-1F, оснащенный приставкой рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа, и производили измерения твердости с помощью прибора Nanoindentor G200. Предварительный нагрев образцов осуществлялся как с использованием бомбардировки ионами Ti или Mo, так и без ее непосредственного воздействия на нагреваемую поверхность. В эксперименте наблюдаются различия по глубине упрочнения азотированного слоя стали при ее нагреве разными способами. При бомбардировке ионами Мо получены наибольшие глубины упрочнения по сравнению с другими условиями предварительного нагрева. Показано, что эти различия связаны с особенностями морфологии поверхности стали, сформированной в результате распылительных процессов. Образование нитридных соединений в ее поверхностном слое может служить барьером, замедляющим проникновение азота в металл. Показано, что при комплексной обработке в процессе осаждения нитридного покрытия на поверхность азотированной стали происходит дополнительное увеличение глубины упрочнения азотированного слоя

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

Combined vacuum-arc hardening of frictional unit components

For increasing the service life of steel components that form a friction pair and are operated under conditions of dynamic loads, elevated temperatures and corrosive media, the process of working contact surface modification has been developed with the use of the vacuum-arc technique. The process has been realized in a two-stage technological cycle, including hardening of the base material by ion-plasma nitriding that replaces effectively the “furnace” nitriding, and a subsequent deposition of protective coatings Mo-N (molybdenum nitride) and Ti-N (titanium nitride). Various physical properties of the modified samples (microhardness depth profiles, as well as structure peculiarities of nitrided layers and nitride coatings) have been investigated as functions of the parameters of the process under development. Comparative laboratory tests of service characteristics (abrasion/corrosion resistances) of the components have been made, and an essential improvement of these characteristics has been demonstrated for the modified surfaces.В целях увеличения эксплуатационного ресурса стальных деталей, представляющих собой пару трения и работающих в условиях динамической нагрузки, повышенной температуры и коррозионной среды, разработан процесс модифицирования контактирующих рабочих поверхностей с использованием вакуумно- дугового метода. Этот процесс реализован в двухстадийном технологическом цикле: упрочнение основы методом ионно-плазменного азотирования, эффективно заменяющим «печное» азотирование, и последующее осаждение защитных покрытий Mo-N и Ti-N. Исследована зависимость ряда физических свойств модифицированных образцов (профили микротвeрдости по глубине от поверхности, а также структурные особенности азотированных слоeв и нитридных покрытий) от параметров разрабатываемого процесса. Выполнены сравнительные лабораторные испытания служебных характеристик (абразивной и коррозионной стойкостей) деталей и продемонстрировано существенное улучшение этих характеристик для модифицированных поверхностей.В цілях збільшення експлуатаційного ресурсу сталевих деталей, що є парою тертя і працюючих в умовах динамічного навантаження, підвищеної температури і корозійного середовища, розроблено процес модифікування контактуючих поверхонь з використанням вакуумно-дугового методу. Цей процес реалізовано в двохстадійному технологічному циклі: зміцнення основи методом іонно-плазмового азотування, ефективно замінюючим «пічне» азотування, і подальше осадження захисних покриттів Mo-N і Ti-N. Досліджено залежність ряду фізичних властивостей модифікованих зразків (профілі мікротвердості по глибині від поверхні, а також структурні особливості азотованих шарів і нітридних покриттів) від параметрів процесу, що розробляється. Виконано порівняльні лабораторні випробування службових характеристик (абразивної і корозійної стійкості) деталей і продемонстровано істотне поліпшення цих характеристик для модифікованих поверхонь

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

Fermi resonance in Ne, Ar and Kr-matrix infrared spectra of 5-bromouracil

Low-temperature matrix isolation Fourier-transform infrared spectroscopy and quantum-chemical calcula-tions with DFT/B3LYP and MP2 methods were used for investigation of isolated 5-bromouracil (BrU) mole-cules. Only one tautomeric form of BrU was dominated in the low-temperature Ne, Ar, and Kr matrices. It was revealed that population of minor hydroxy-tautomers did not exceed 0.2%. Appearance of additional absorption bands in the region of stretching vibrations CO (about 1710 cm⁻¹) as well as of deformation ones (1297, 1093, 901 cm⁻¹) was explained by Fermi resonance. In Ne matrices the peak intensities of absorption bands assigned to the out-of-plane vibrations of the ring and exocyclic atoms were decreased sharply. For the first time, least square method with the using of polynomial was proposed for the corrective scaling of calculated frequencies of vibrations. It is shown that the correction of calculated frequencies with the polynomial of degree two permits to decrease the root-mean-square discrepancy between the calculated and experimental ones to 4–5 cm⁻¹ in the re-gion of 1500–500 cm⁻¹. The same polynomial may be applied for the correction of spectra of molecules with a similar structure

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

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