Помощь студентам в учебе
РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В МАТЕРИАЛАХ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ С
РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ 12
1.1 Основы рентгеноструктурного анализа поликристаллических
материалов 12
1.2 Особенности in situ дифрактометрии при высокой температуре 17
1.3 Современные комплексы для исследования и контроля
структурно-фазовых изменений в материале 25
1.3.1 Экспериментальные станции дифрактометрии с временным разрешением Сибирского центра синхротронного и терагерцового
излучения 26
1.3.2. Станции Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» 31
ГЛАВА 2. ДИФРАКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В РЕЖИМЕ IN SITU С РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ 39
2.1 Схема дифракционного комплекса 39
2.2 Отработка методики получения дифрактограмм с разрешением по
времени 47
2.3 Апробация дифракционного комплекса на технически чистом
титане 52
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В РЕЖИМЕ IN SITU С РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ НА РАЗРАБОТАННОМ ДИФРАКЦИОННОМ КОМПЛЕКСЕ .. 61
3.1 Фазовый состав и структура циркониевого сплава Zr1%Nb с осажденным слоем никеля в процессе газофазного наводороживания 61
3.1.1 Постановка задачи 61
3.1.2 Материал и методы исследования 62
3.1.3 Результаты и их обсуждение 64
3.2 Фазовые и структурные изменения в титановом сплава Ti-6Al-4V с субмикрокристаллической структурой при насыщении водородом из
газовой фазы 68
3.2.1 Постановка задачи 68
3.2.2 Материал и методы исследования 69
3.2.3 Результаты и их обсуждение 70
3.3 Эволюция структуры и фазовые изменения в двухфазных
титановых сплавах полученных методом электронно-лучевого сплавления 76
3.3.1. Постановка задачи 76
3.3.2. Материалы и методы исследования 78
3.3.2. Результаты и их обсуждение 79
Заключение 98
Список сокращений и условных обозначений 100
Список использованной литературы 101
Приложение А 116
ГЛАВА 1. РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ С
РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ 12
1.1 Основы рентгеноструктурного анализа поликристаллических
материалов 12
1.2 Особенности in situ дифрактометрии при высокой температуре 17
1.3 Современные комплексы для исследования и контроля
структурно-фазовых изменений в материале 25
1.3.1 Экспериментальные станции дифрактометрии с временным разрешением Сибирского центра синхротронного и терагерцового
излучения 26
1.3.2. Станции Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» 31
ГЛАВА 2. ДИФРАКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В РЕЖИМЕ IN SITU С РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ 39
2.1 Схема дифракционного комплекса 39
2.2 Отработка методики получения дифрактограмм с разрешением по
времени 47
2.3 Апробация дифракционного комплекса на технически чистом
титане 52
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В РЕЖИМЕ IN SITU С РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ НА РАЗРАБОТАННОМ ДИФРАКЦИОННОМ КОМПЛЕКСЕ .. 61
3.1 Фазовый состав и структура циркониевого сплава Zr1%Nb с осажденным слоем никеля в процессе газофазного наводороживания 61
3.1.1 Постановка задачи 61
3.1.2 Материал и методы исследования 62
3.1.3 Результаты и их обсуждение 64
3.2 Фазовые и структурные изменения в титановом сплава Ti-6Al-4V с субмикрокристаллической структурой при насыщении водородом из
газовой фазы 68
3.2.1 Постановка задачи 68
3.2.2 Материал и методы исследования 69
3.2.3 Результаты и их обсуждение 70
3.3 Эволюция структуры и фазовые изменения в двухфазных
титановых сплавах полученных методом электронно-лучевого сплавления 76
3.3.1. Постановка задачи 76
3.3.2. Материалы и методы исследования 78
3.3.2. Результаты и их обсуждение 79
Заключение 98
Список сокращений и условных обозначений 100
Список использованной литературы 101
Приложение А 116
Актуальность работы.
Одной из важнейших задач современного материаловедения является создание новых функциональных материалов и технологических процессов. Важным требованием к разрабатываемым материалам является необходимость эксплуатации в экстремальных условиях, включающих низкие или высокие температуры, агрессивные среды (химические, радиационные и другие), большие механические нагрузки, высокое давление и т.д. Оценка изменений физико-механических свойств и структурнофазового состояния материалов в процессе эксплуатации в агрессивных средах осуществляется с использованием наиболее передовых физикохимических методов. Базовым и наиболее востребованным методом диагностики материалов является рентгеновская дифрактометрия [1, 2].
Данный метод получил широкое применение за счет простоты и экспрессности получения данных о структуре и фазовом составе исследуемого материала.
На сегодняшний день данные о структурных и фазовых изменениях в материалах непосредственно при контакте с агрессивной средой при повышенных температуре и давлении представляет не только фундаментальный, но и практический интерес, так как на их основе открывается возможность прогнозирования и оценки их физикомеханических свойств [3, 4]. Экспериментально такая информация может быть получена из данных in situ дифракционных измерений. Подавляющее большинство подобных исследований проводится на источниках синхротронного излучения, что обусловлено высокой интенсивностью пучка, его малой расходимостью и непрерывным спектром в широком диапазоне энергий фотонов [5]. Однако, все источники синхротронного излучения представляют собой циклические ускорители со сложными системами инжекции, коллимации и вывода пучка электронов, что существенно ограничивает их широкое применение в системах оперативного контроля. В настоящий момент развитие аппаратного обеспечения рентгеновских дифрактометров, а именно, систем коллимации пучка, высокоскоростных приборов детектирования излучения, а также большого числа приставок и держателей образцов со специальной конструкцией для проведения исследований в жестких условиях (высокая температура, вакуумная или воздушная среда и т.д.), дает возможность проводить измерения в режиме in situ с разрешением по времени. Несмотря на это, лабораторные серийные дифрактометры, позволяющие исследовать структурно-фазовые состояния материалов под действием агрессивной среды в широком диапазоне температур в режиме in situ, не достаточно разработаны.
Таким образом, для исследования и контроля фазового состава и структурных изменений в поликристаллических материалах с разрешением по времени в условиях агрессивных сред и повышенной температуры необходимо дальнейшее совершенствование экспериментальной базы, позволяющее проводить дифракционные измерения соответствующие мировому уровню.
Степень разработанности темы.
На сегодняшний день для исследования структурно-фазовых превращений в условиях агрессивных сред и высокой температуры было разработано большое количество экспериментальных станций, большая часть из которых спроектирована на источниках синхротронного излучения. Значительный вклад в разработку экспериментальных комплексов и ввод их в эксплуатацию внесли научные коллективы под руководством Кулипанова Г.Н., Толочко Б.П., Шмакова А.Н., Зубавичуса Я.В.,
Велигжанина А.А., Корнеева В.Н., Bosenberg U., Castro G., Ren Y. и других. В опубликованных работах описаны и реализованы системы для исследования структурных и фазовых изменений в материалах под действием агрессивных сред и в широком диапазоне температур на источниках синхротронного излучения, отработаны методики получения
6 дифрактограмм в режиме in situ, а также проведено существенное количество экспериментов по исследованию современных функциональных материалов. Тем не менее, анализ литературных данных свидетельствует об отсутствии компактных комплексов для in situ исследований на базе лабораторных источников излучения, что открывает перспективы их использования для контроля и оценки эксплуатационных свойств материалов, как в научных лабораториях, так и на производстве. Исходя из этих соображений, были сформулированы цели и задачи настоящей диссертационной работы.
Целью настоящей работы являлась разработка аппаратного и методического обеспечения для in situ рентгенодифракционных исследований поликристаллических материалов в условиях газовых сред и высокой температуры.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать и реализовать дифракционный комплекс на базе серийного дифрактометра для исследования и контроля структурно-фазового состояния материалов с разрешением по времени в условиях газовой среды и повышенной температуры.
2. Отработать методику получения дифракционных картин на разработанном дифракционном комплексе с разрешением по времени .
3. Провести исследование и контроль фазовых и структурных изменений в системах металл-водород с применением разработанного комплекса, в том числе:
• в технически чистом титане марки ВТ1-0 в процессах нагрева, наводороживания и выхода водорода;
• в циркониевом сплаве Zr1%Nb с никелевым покрытием в процессе насыщения водородом;
• в титановом сплаве Ti-6Al-4V, полученным методом электроннолучевого сплавления, при наводороживании.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые:
1. На основе современных высокоскоростных систем регистрации фотонов разработан лабораторный рентгенодифракционный комплекс на базе серийного дифрактометра для исследования и контроля фазовых и структурных изменений в материалах в режиме in situ в среде инертных или агрессивных газов, а также их смеси, при повышенной температуре.
2. Уточнено время жизни метастабильной фазы у гидрида технически чистого титана марки ВТ 1-0 в процессах газофазного наводороживания при температуре 500 °С и давлении водорода 0,5 атмосфер и термостимулированного выхода водорода в диапазоне температур (30-800) °С.
3. Установлены фазовые переходы в циркониевом сплаве Zr1%Nb с никелевым покрытием толщиной ~ 1мкм в процессе насыщения из газовой среды при давлении водорода 0,5 атмосфер в диапазоне температур (350-450) °С.
4. Установлены фазовые переходы в титановом сплаве Ti-6Al-4V полученного электронно-лучевым сплавлением в процессе газофазного наводороживания при температуре 650 °С и давлении водорода в камере 0,5 атмосфер.
Теоретическая значимость работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, вносят вклад в развитие дифракционных систем для контроля структурно-фазовых изменений в поликристаллических материалах и имеют фундаментальный характер. Данных in situ дифракционных измерений систем металл-водород в процессе газофазного наводороживания позволят разработать физическую модель описывающую поведение структурных параметров конструкционных материалов в условиях контакта с агрессивными средами, а также уточнить диаграммы состояний сплавов на основе титана.
Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса для исследования и контроля структурно-фазового состояния широкого спектра поликристаллических материалов эксплуатируемых в условиях реакционной среды и высоких температур с разрешением по времени. Экспериментальные результаты фазовых и структурных изменений в циркониевых и титановых сплавах в процессе насыщения водородом при различной температуре являются основой для понимания механизмов деградации их физико-механических свойств и последующего создания эффективного способа защиты от водородной коррозии. Более того, данные in situ дифрактометрии позволят развить технологии термоводородной обработки титановых сплавов для получения изделий с заданными свойствами.
Результаты работы внедрены в учебный процесс отделения экспериментальной физики Национального исследовательского Томского политехнического университета, что подтверждено соответствующим актом, представленным в приложении А.
Практическая значимость подтверждается выполнением следующих научно-исследовательских работ:
1. Грант РФФИ № 16-38-00709, по теме «Разработка защитного
покрытия на основе нитрида титана для снижения водородопроницаемости циркониевого сплава Zr-1%Nb».
2. Грант РНФ № 17-79-20100 по теме «Разработка научных основ создания водородостойких изделий из титановых сплавов Ti-6Al-4V, Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si с градиентной структурой приповерхностного слоя, изготовленных методом аддитивных технологий».
3. Грант РФФИ № 18-48-703034, по теме «Исследование
водородостойкости и коррозионной стойкости сплава Zr-1Nb, глубоко легированного титаном методом высокоинтенсивной низкоэнергетичной ионной имплантации».
4. Грант РФФИ № 18-08-00158 по теме «Закономерности и механизмы деформации в условиях ползучести в присутствии водорода гидридообразующих сплавов c модифицированной облучением пучком электронов поверхностью».
Методология и методы исследования. Объектами исследования являлись циркониевые и титановые сплавы в различном состоянии. Для исследования структурно-фазового состояния использовались методы рентгеновской дифрактометрии (в том числе с разрешением по времени) и электронной микроскопии (сканирующей и просвечивающей).
Газофазное наводороживание и сорбционные характеристики материалов исследовались на автоматизированном комплексе Gas Reaction Controller. Абсолютное содержание водорода определялось на анализаторе водорода RHEN602.
Положения, выносимые на защиту:
1. Рентгенодифракционный комплекс для исследования и контроля фазовых и структурных изменений в поликристаллических материалах с разрешением по времени при динамических процессах в газовой среде.
2. Результаты апробации экспериментальных возможностей дифракционного комплекса на примере порошка титанового сплава марки ВТ1-0 в процессах газофазного наводороживания при температуре 500 °С и давлении водорода в реакционной камере 0,5 атмосферы и выхода водорода в диапазоне температур (30-800) °С.
3. Результаты in situ рентгенографического контроля фазовых
превращений в системах «металл-водород» в зависимости от структурнофазового состояния, с использованием разработанного
рентгенодифракционного комплекса.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением комплексного подхода и современной аппаратурной базой при разработке рентгенодифракционного комплекса, большим объемом экспериментальных данных и их обработки с использованием специальных
10 программных продуктов, сопоставлением полученных данных с результатами, полученными другими исследовательскими группами, а также корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью.
Личный вклад автора заключается в разработке и реализации рентгенодифракционного комплекса для исследования и контроля фазовых и структурных изменений в поликристаллических материалах в газовой среде при повышенной температуре, проведении всех экспериментальных исследований лично или в составе научного коллектива, обработке полученных данных, написании и сопровождении публикаций большинства статей по теме диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международных и российских конференциях: Международная
конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, Россия, 2015, 2017, 2018; 7th German- Russian Travelling Seminar «Nanomaterials and scattering methods», Екатеринбург-Казань-Дубна-Москва, Россия, 2017; XVI International IUPAC Conference on High Temperature Materials Chemistry, Екатеринбург, Россия, 2018; 5th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Томск, Россия, 2016, Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск, Россия, 2016; International Conference SFR-2016: «Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application», Новосибирск, Россия, 2016, 2018; XXII Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью», Москва, Россия, 2015, 2017; Национальная молодежная
научная школа для молодых ученых, аспирантов и студентов по современным методам исследований наносистем и материалов «Синхротронные и нейтронные исследования (СИН-нано-2015)», Москва, Россия, 2015; 20th International Vacuum Congress, Busan, Korea, 2016.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе отделения экспериментальной физики Томского политехнического университета в методических материалах следующих дисциплин: «Аккумулирующие свойства водорода в металлах и сплавах», «Специальный физический практикум», «Экспериментальные методы в исследовании конденсированного состояния», «Приборы и установки для анализа твердого тела» а также при выполнении курсовых проектов, выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций студентами отделения.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 16 работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 12 статей в журналах, входящих в базы данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка использованных литературных источников. Общий объем диссертации составляет 116 страниц, включая 44 рисунка, 5 таблиц, 127 библиографических источника.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.пед.н., профессору В.В. Ларионову за участие в обсуждении полученных результатов, поддержку и помощь в подготовке диссертационной работы; д.т.н. А.М. Лидеру за помощь в проведении ряда исследований, консультации и обсуждение результатов; коллегам: Т.Л. Мурашкиной и В.Н. Кудиярову за помощь в проведении экспериментов по насыщению водородом; Р.С. Лаптеву, Е.Б. Кашкарову, Н.С. Пушилиной и Е.Н. Степановой за поддержку, консультации и обсуждение результатов.
Одной из важнейших задач современного материаловедения является создание новых функциональных материалов и технологических процессов. Важным требованием к разрабатываемым материалам является необходимость эксплуатации в экстремальных условиях, включающих низкие или высокие температуры, агрессивные среды (химические, радиационные и другие), большие механические нагрузки, высокое давление и т.д. Оценка изменений физико-механических свойств и структурнофазового состояния материалов в процессе эксплуатации в агрессивных средах осуществляется с использованием наиболее передовых физикохимических методов. Базовым и наиболее востребованным методом диагностики материалов является рентгеновская дифрактометрия [1, 2].
Данный метод получил широкое применение за счет простоты и экспрессности получения данных о структуре и фазовом составе исследуемого материала.
На сегодняшний день данные о структурных и фазовых изменениях в материалах непосредственно при контакте с агрессивной средой при повышенных температуре и давлении представляет не только фундаментальный, но и практический интерес, так как на их основе открывается возможность прогнозирования и оценки их физикомеханических свойств [3, 4]. Экспериментально такая информация может быть получена из данных in situ дифракционных измерений. Подавляющее большинство подобных исследований проводится на источниках синхротронного излучения, что обусловлено высокой интенсивностью пучка, его малой расходимостью и непрерывным спектром в широком диапазоне энергий фотонов [5]. Однако, все источники синхротронного излучения представляют собой циклические ускорители со сложными системами инжекции, коллимации и вывода пучка электронов, что существенно ограничивает их широкое применение в системах оперативного контроля. В настоящий момент развитие аппаратного обеспечения рентгеновских дифрактометров, а именно, систем коллимации пучка, высокоскоростных приборов детектирования излучения, а также большого числа приставок и держателей образцов со специальной конструкцией для проведения исследований в жестких условиях (высокая температура, вакуумная или воздушная среда и т.д.), дает возможность проводить измерения в режиме in situ с разрешением по времени. Несмотря на это, лабораторные серийные дифрактометры, позволяющие исследовать структурно-фазовые состояния материалов под действием агрессивной среды в широком диапазоне температур в режиме in situ, не достаточно разработаны.
Таким образом, для исследования и контроля фазового состава и структурных изменений в поликристаллических материалах с разрешением по времени в условиях агрессивных сред и повышенной температуры необходимо дальнейшее совершенствование экспериментальной базы, позволяющее проводить дифракционные измерения соответствующие мировому уровню.
Степень разработанности темы.
На сегодняшний день для исследования структурно-фазовых превращений в условиях агрессивных сред и высокой температуры было разработано большое количество экспериментальных станций, большая часть из которых спроектирована на источниках синхротронного излучения. Значительный вклад в разработку экспериментальных комплексов и ввод их в эксплуатацию внесли научные коллективы под руководством Кулипанова Г.Н., Толочко Б.П., Шмакова А.Н., Зубавичуса Я.В.,
Велигжанина А.А., Корнеева В.Н., Bosenberg U., Castro G., Ren Y. и других. В опубликованных работах описаны и реализованы системы для исследования структурных и фазовых изменений в материалах под действием агрессивных сред и в широком диапазоне температур на источниках синхротронного излучения, отработаны методики получения
6 дифрактограмм в режиме in situ, а также проведено существенное количество экспериментов по исследованию современных функциональных материалов. Тем не менее, анализ литературных данных свидетельствует об отсутствии компактных комплексов для in situ исследований на базе лабораторных источников излучения, что открывает перспективы их использования для контроля и оценки эксплуатационных свойств материалов, как в научных лабораториях, так и на производстве. Исходя из этих соображений, были сформулированы цели и задачи настоящей диссертационной работы.
Целью настоящей работы являлась разработка аппаратного и методического обеспечения для in situ рентгенодифракционных исследований поликристаллических материалов в условиях газовых сред и высокой температуры.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать и реализовать дифракционный комплекс на базе серийного дифрактометра для исследования и контроля структурно-фазового состояния материалов с разрешением по времени в условиях газовой среды и повышенной температуры.
2. Отработать методику получения дифракционных картин на разработанном дифракционном комплексе с разрешением по времени .
3. Провести исследование и контроль фазовых и структурных изменений в системах металл-водород с применением разработанного комплекса, в том числе:
• в технически чистом титане марки ВТ1-0 в процессах нагрева, наводороживания и выхода водорода;
• в циркониевом сплаве Zr1%Nb с никелевым покрытием в процессе насыщения водородом;
• в титановом сплаве Ti-6Al-4V, полученным методом электроннолучевого сплавления, при наводороживании.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые:
1. На основе современных высокоскоростных систем регистрации фотонов разработан лабораторный рентгенодифракционный комплекс на базе серийного дифрактометра для исследования и контроля фазовых и структурных изменений в материалах в режиме in situ в среде инертных или агрессивных газов, а также их смеси, при повышенной температуре.
2. Уточнено время жизни метастабильной фазы у гидрида технически чистого титана марки ВТ 1-0 в процессах газофазного наводороживания при температуре 500 °С и давлении водорода 0,5 атмосфер и термостимулированного выхода водорода в диапазоне температур (30-800) °С.
3. Установлены фазовые переходы в циркониевом сплаве Zr1%Nb с никелевым покрытием толщиной ~ 1мкм в процессе насыщения из газовой среды при давлении водорода 0,5 атмосфер в диапазоне температур (350-450) °С.
4. Установлены фазовые переходы в титановом сплаве Ti-6Al-4V полученного электронно-лучевым сплавлением в процессе газофазного наводороживания при температуре 650 °С и давлении водорода в камере 0,5 атмосфер.
Теоретическая значимость работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, вносят вклад в развитие дифракционных систем для контроля структурно-фазовых изменений в поликристаллических материалах и имеют фундаментальный характер. Данных in situ дифракционных измерений систем металл-водород в процессе газофазного наводороживания позволят разработать физическую модель описывающую поведение структурных параметров конструкционных материалов в условиях контакта с агрессивными средами, а также уточнить диаграммы состояний сплавов на основе титана.
Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса для исследования и контроля структурно-фазового состояния широкого спектра поликристаллических материалов эксплуатируемых в условиях реакционной среды и высоких температур с разрешением по времени. Экспериментальные результаты фазовых и структурных изменений в циркониевых и титановых сплавах в процессе насыщения водородом при различной температуре являются основой для понимания механизмов деградации их физико-механических свойств и последующего создания эффективного способа защиты от водородной коррозии. Более того, данные in situ дифрактометрии позволят развить технологии термоводородной обработки титановых сплавов для получения изделий с заданными свойствами.
Результаты работы внедрены в учебный процесс отделения экспериментальной физики Национального исследовательского Томского политехнического университета, что подтверждено соответствующим актом, представленным в приложении А.
Практическая значимость подтверждается выполнением следующих научно-исследовательских работ:
1. Грант РФФИ № 16-38-00709, по теме «Разработка защитного
покрытия на основе нитрида титана для снижения водородопроницаемости циркониевого сплава Zr-1%Nb».
2. Грант РНФ № 17-79-20100 по теме «Разработка научных основ создания водородостойких изделий из титановых сплавов Ti-6Al-4V, Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si с градиентной структурой приповерхностного слоя, изготовленных методом аддитивных технологий».
3. Грант РФФИ № 18-48-703034, по теме «Исследование
водородостойкости и коррозионной стойкости сплава Zr-1Nb, глубоко легированного титаном методом высокоинтенсивной низкоэнергетичной ионной имплантации».
4. Грант РФФИ № 18-08-00158 по теме «Закономерности и механизмы деформации в условиях ползучести в присутствии водорода гидридообразующих сплавов c модифицированной облучением пучком электронов поверхностью».
Методология и методы исследования. Объектами исследования являлись циркониевые и титановые сплавы в различном состоянии. Для исследования структурно-фазового состояния использовались методы рентгеновской дифрактометрии (в том числе с разрешением по времени) и электронной микроскопии (сканирующей и просвечивающей).
Газофазное наводороживание и сорбционные характеристики материалов исследовались на автоматизированном комплексе Gas Reaction Controller. Абсолютное содержание водорода определялось на анализаторе водорода RHEN602.
Положения, выносимые на защиту:
1. Рентгенодифракционный комплекс для исследования и контроля фазовых и структурных изменений в поликристаллических материалах с разрешением по времени при динамических процессах в газовой среде.
2. Результаты апробации экспериментальных возможностей дифракционного комплекса на примере порошка титанового сплава марки ВТ1-0 в процессах газофазного наводороживания при температуре 500 °С и давлении водорода в реакционной камере 0,5 атмосферы и выхода водорода в диапазоне температур (30-800) °С.
3. Результаты in situ рентгенографического контроля фазовых
превращений в системах «металл-водород» в зависимости от структурнофазового состояния, с использованием разработанного
рентгенодифракционного комплекса.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением комплексного подхода и современной аппаратурной базой при разработке рентгенодифракционного комплекса, большим объемом экспериментальных данных и их обработки с использованием специальных
10 программных продуктов, сопоставлением полученных данных с результатами, полученными другими исследовательскими группами, а также корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью.
Личный вклад автора заключается в разработке и реализации рентгенодифракционного комплекса для исследования и контроля фазовых и структурных изменений в поликристаллических материалах в газовой среде при повышенной температуре, проведении всех экспериментальных исследований лично или в составе научного коллектива, обработке полученных данных, написании и сопровождении публикаций большинства статей по теме диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международных и российских конференциях: Международная
конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, Россия, 2015, 2017, 2018; 7th German- Russian Travelling Seminar «Nanomaterials and scattering methods», Екатеринбург-Казань-Дубна-Москва, Россия, 2017; XVI International IUPAC Conference on High Temperature Materials Chemistry, Екатеринбург, Россия, 2018; 5th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Томск, Россия, 2016, Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск, Россия, 2016; International Conference SFR-2016: «Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application», Новосибирск, Россия, 2016, 2018; XXII Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью», Москва, Россия, 2015, 2017; Национальная молодежная
научная школа для молодых ученых, аспирантов и студентов по современным методам исследований наносистем и материалов «Синхротронные и нейтронные исследования (СИН-нано-2015)», Москва, Россия, 2015; 20th International Vacuum Congress, Busan, Korea, 2016.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе отделения экспериментальной физики Томского политехнического университета в методических материалах следующих дисциплин: «Аккумулирующие свойства водорода в металлах и сплавах», «Специальный физический практикум», «Экспериментальные методы в исследовании конденсированного состояния», «Приборы и установки для анализа твердого тела» а также при выполнении курсовых проектов, выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций студентами отделения.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 16 работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 12 статей в журналах, входящих в базы данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка использованных литературных источников. Общий объем диссертации составляет 116 страниц, включая 44 рисунка, 5 таблиц, 127 библиографических источника.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.пед.н., профессору В.В. Ларионову за участие в обсуждении полученных результатов, поддержку и помощь в подготовке диссертационной работы; д.т.н. А.М. Лидеру за помощь в проведении ряда исследований, консультации и обсуждение результатов; коллегам: Т.Л. Мурашкиной и В.Н. Кудиярову за помощь в проведении экспериментов по насыщению водородом; Р.С. Лаптеву, Е.Б. Кашкарову, Н.С. Пушилиной и Е.Н. Степановой за поддержку, консультации и обсуждение результатов.
Диссертационная работа посвящена разработке и апробации рентгенодифракционного комплекса для контроля структурно-фазовых изменений в материалах при динамических процессах в газовой среде. Достигнутые характеристики комплекса позволяют получать дифракционные картины с высоким разрешением и точностью существенно превышающими серийные лабораторные дифрактометры.
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Разработан и реализован дифрактометрический комплекс для
контроля фазовых и структурных изменений в поликристаллических материалах в условиях газовой среды и повышенной температуры со следующими основными характеристиками: временное разрешение - 1 минута, угловое разрешение - 0,0104°, диапазон температур - (25-2300) °С, диапазон давлений - (2-10-3-105) Па, инертные (гелий, аргон, азот) и
реакционные среды (водород, кислород, углекислый газ).
2. Отработана методика получения дифракционных картин с временным разрешением в режиме in situ.
3. Проведена апробация разработанного комплекса на порошке технически чистого титана марки ВТ1-0 в процессах линейного нагрева, газофазного наводороживания при температуре 500 °C и давлении водорода в камере 0,5 атм., а также термостимулированного выхода водорода в диапазоне температур (30-800) °С.
4. Выявлено, что в результате наводороживания технически чистого титана марки ВТ1-0 формируется промежуточная фаза метастабильного
Y гидрида титана, время жизни которой составляет 35-40 минут. Фаза
Y гидрида титана также формируется при выходе водорода под действием температуры свыше 450 °С из стабильного 5 гидрида титана. Увеличение температуры до 650 °С приводит к разложению Y гидрида.
5. Установлено, что насыщение водородом циркониевого сплава Zr1%Nb при давлении водорода 0,5 атм. сопровождается превращением а фазы в стабильный 5 гидрид, скорость формирования которого увеличивается в 2 раза с ростом температуры от 350 до 450 °С.
6. Показано, что в процессе наводороживания титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления, при температуре 650 °С и давлении водорода 0,5 атм. до концентрации 0,6 масс.% формируется р фаза и а2 фаза на основе интерметаллида Ti3Al. Схема фазовых переходов имеет вид а ^ а+0 ^ 0+а2.
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Разработан и реализован дифрактометрический комплекс для
контроля фазовых и структурных изменений в поликристаллических материалах в условиях газовой среды и повышенной температуры со следующими основными характеристиками: временное разрешение - 1 минута, угловое разрешение - 0,0104°, диапазон температур - (25-2300) °С, диапазон давлений - (2-10-3-105) Па, инертные (гелий, аргон, азот) и
реакционные среды (водород, кислород, углекислый газ).
2. Отработана методика получения дифракционных картин с временным разрешением в режиме in situ.
3. Проведена апробация разработанного комплекса на порошке технически чистого титана марки ВТ1-0 в процессах линейного нагрева, газофазного наводороживания при температуре 500 °C и давлении водорода в камере 0,5 атм., а также термостимулированного выхода водорода в диапазоне температур (30-800) °С.
4. Выявлено, что в результате наводороживания технически чистого титана марки ВТ1-0 формируется промежуточная фаза метастабильного
Y гидрида титана, время жизни которой составляет 35-40 минут. Фаза
Y гидрида титана также формируется при выходе водорода под действием температуры свыше 450 °С из стабильного 5 гидрида титана. Увеличение температуры до 650 °С приводит к разложению Y гидрида.
5. Установлено, что насыщение водородом циркониевого сплава Zr1%Nb при давлении водорода 0,5 атм. сопровождается превращением а фазы в стабильный 5 гидрид, скорость формирования которого увеличивается в 2 раза с ростом температуры от 350 до 450 °С.
6. Показано, что в процессе наводороживания титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом электронно-лучевого сплавления, при температуре 650 °С и давлении водорода 0,5 атм. до концентрации 0,6 масс.% формируется р фаза и а2 фаза на основе интерметаллида Ti3Al. Схема фазовых переходов имеет вид а ^ а+0 ^ 0+а2.