Влияние лазерной обработки наносекудной длительности на структуру и твердость сплава Zr–1%Nb

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии изучены микроструктура и фазовый состав поверхностного слоя образца из сплава Zr–1%Nb, модифицированного лазерными импульсами наносекундой длительности. Установлено, что в процессе лазерной обработки формируется тонкий упрочненный поверхностный слой с дисперсной микроструктурой. Доказано, что упрочнение поверхностного слоя, толщиной менее 4 мкм, обусловлено образованием микропакетов-двойников, состоящих из наноламелей мартенсита, и наноразмерной ω-Zr-фазы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Н. Петрова

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

И. Г. Бродова

Институт физики металлов УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Д. Ю. Распосиенко

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. И. Валиуллин

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. О. Курышев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

С. В. Афанасьев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. Н. Балахнин

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. Академика Королева, 1, Пермь, 614013

О. Б. Наймарк

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. Академика Королева, 1, Пермь, 614013

Список литературы

  1. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.
  2. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Структура циркония и его сплавов. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 1997. 230 с.
  3. Никулина А.В., Решетников Н.Г., Шебалдов П.В. Технология изготовления канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb, установленных в реакторах РБМК // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. 1990. Вып. 2(36). C. 46–53.
  4. Eroshenko A. Yu., Mairambekova A.M., Sharkeev Yu.P., Kovalevskaya Zh.G., Khimich M.A. Structure, phase composition and mechanical properties in bioinert zirconium-based alloy after severe plastic deformation // Letters Mater. 2017. Т. 7. № 4. P. 469–472.
  5. Тарараева Е.М., Муравьева Л.С., Иванов О.С. Строение и свойства сплавов для атомной энергетики. М.: Наука, 1973. 138 с.
  6. Добромыслов А.В. Определение границ области существования метастабильной ω-фазы в сплавах титана и циркония // ФММ. 2023. Т. 124. С. 1220–1230.
  7. Павленко А.В., Добромыслов А.В., Талуц Н.И., Малюгина С.Н., Мокрушин С.С. Ударно-волновые свойства и деформационная структура технически чистого титана // ФММ. 2021. Т. 122. С. 851–858.
  8. Кутсар А.Р., Герман В.Н., Носова Г.И. (альфа-омега) превращение в титане и цирконии в ударных волнах // ДАН СССР. 1973. Т. 213. № 1. С 81–84.
  9. Bickel G.A., Griffiths M., Douchant A., Douglas S., Woo O.T., Buyers A. Improved Zr-2.5Nb pressure tubes for reduced diametral strain in advanced CANDU reactors // American Society for Testing and Materials. Zirconium in the Nuclear Industry. 2010. V. 1529. Р. 327–348.
  10. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Механизм α→ω превращения в цирконии, титане и сплавах на их основе // ФММ. 1990. № 5. С. 108–115.
  11. Song S.G., Gray G.T. III Microscopic and crystallographic aspects of retained omega phase in shock-loaded zirconium and its formation mechanism // Phil. Mag. A. 1995. V. 71. № 1. P. 275–290.
  12. Козлов Е.А., Литвинов Б.В., Абакшин Е.А., Добромыслов А.В., Талуц Н.И., Казанцева Н.В., Талуц Г.Г. Фазовые превращения и изменение структуры циркония при воздействии сферических ударных волн // ФММ. 1995. Т. 79. Вып. 6. С. 113–127.
  13. Clauer A.H. Laser shock peening for fatigue resistance / In: Gregory JK, Rack HJ, Eylon D, editors. Surface performance of titanium. Warrendale (PA): TMS, 1996. Р. 217–230.
  14. Колобов Ю.Р., Манохин С.С., Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В., Одинцова Г.В., Храмов Г.В. Исследование влияния обработки лазерными импульсами наносекундной длительности на микроструктуру и сопротивление усталости технически чистого титана // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. № 2. P. 15–19. https:// doi.org/10.21883/PJTF.2022.02.51913.19025
  15. Song Shu, Yizhou Shen, Zonghui Cheng, Weibiao Xiong, Zhaoru He, Shuangshuang Song, Weilan Liu. Laser shock peening regulating residual stress for fatigue life extension of 30CrMnSiNi2A high-strength steel // Optics & Laser Technology. 2024. V. 169. Р. 110094. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110094
  16. Banas G., Elsayed-Ali H.E., Lawrence F.V., Rigsbee J.M. Lasershock-induced mechanical and microstructural modification of welded maraging steel // J. Appl. Phys. 1990. V. 67. P. 2380–2384. https:// doi.org/10.1063/1.345534
  17. Zhou L., Li Y.H., He W.F., Wang X.D., Li Q.P. Laser Shock Processing of Ni-Base Superalloy and High Cycle Fatigue Properties // Mater. Sci. Forum. 2011. V. 697–698. P. 235–238.
  18. Zhang Hong, Yu Chengye. Laser shock processing of 2024-T62 aluminum alloy // Mater. Sci. Eng. A. 1998. V. 257. № 2. P. 322–327.
  19. Montross C.S., Florea V., Swain M.V. Influence of coatings on sub-surface mechanical properties of laser peened 2011-T3 aluminum // J. Mater. Sci. 2001. V. 36. P. 1801–1807.
  20. Kamkarrad H., Narayanswamy S., Tao X.S. Feasibility study of high-repetition rate laser shock peening of biodegradable magnesium alloys // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2014. V. 74. Р. 1237–1245.
  21. Li Zh.Y., Guo X.W., Yu Sh.J., Ning Ch.M., Jiao Y.J., Cai Zh.B. Influence of laser shock peening on surface characteristics and corrosion behavior of zirconium alloy // Mater. Characteriz. 2023. V. 206. P. 113387.
  22. Ruschau J.J., John R., Thompson S.R., Nicholas T. Fatigue crack nucleation and growth rate behaviour of laser shock peened titanium // Int. J. Fatigue. 1999. V. 21. P. S199–S209. https:// doi.org/10.1016/S0142–1123(99)00072–9
  23. Hatamleh O. A comprehensive investigation on the effects of laser and shot peening on fatigue crack growth in friction stir welded AA 2195 joints // Int. J. Fatigue. 2009. V. 31. P. 974–988.
  24. Черняева Т.П., Грицина В.М. Характеристики ГПУ-металлов, определяющие их поведение при механическом, термическом и радиационном воздействии // Вопр. атомной науки и техники. 2008. № 2. С. 15–27.
  25. Lobanov M.L., Yarkov V. Yu., Pastukhov V.I. The Effect of Cooling Rate on Crystallographic Features of Phase Transformations in Zr-2.5Nb // Materials. 2023. V. 16. P. 1–14.
  26. Хлебникова Ю.В., Сазонова В.А., Родионов Д.П., Вильданова Н.Ф., Егорова Л.Ю., Калетина Ю.В., Солодова И.Л., Умова В.М. Формирование макро- и микроструктуры при превращении в монокристаллах циркония // ФММ. 2009. Т. 108. № 3. С. 267–275.
  27. Добромыслов А.В. Влияние d-металлов на температуру полиморфного и (моно) эвтектоидного превращения в бинарных сплавах титана, циркония и гафния // ФММ. 2020. Т. 121. С. 516–172.
  28. Хлебникова Ю.В., Родионов Д.П., Егорова Л.Ю., Суаридзе Т.Р. Кристаллографические особенности структуры α-фазы гафния и сплавов гафний–титан // Журнал технич. физики. 2019. Т. 89. № 1. С. 86–98. https:// doi.org/10.21883/JTF.2019.01.46968.86–18
  29. Tang J., Yang H., Qian B., Zheng Y. TWIP-assisted Zr alloys for medical applications: Design strategy, mechanical properties and first biocompatibility assessment // J. Mater. Techn. 2023. V. 184. P. 32–42.
  30. Mehjabeen A., Song T., Xu W., Tang H.P., Qian M. Zirconium Alloys for Orthopaedic and Dental Applications // Adv. Eng. Mater. 2018. V. 20. P. 63–69.
  31. Petrova A.N., Brodova I.G., Astafiev V.V., Rasposienko D.Y., Kuryshev A.O., Balakhnin A.N., Uvarov S.V., Naimark O.B. Surface modification of the Zr–Nb alloy by nanosecond pulse laser processing // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. P. 625–633.
  32. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 2001. 570 с.
  33. Jamieson J.C. Crystal structure of titanium, zirconium, and hafnium at high pressure // Science. 1963. V. 140. № 3562. P. 72–73.
  34. Hatt B.A., Roberts J.A. The w-phase in zirconium base alloys // Acta Met. 1960. V. 8. № 8. P. 575–584.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Результаты EBSD-анализа структуры исходного образца: а — ориентационная карта; б — гистограмма распределения взаимных разориентаций зерен и субзерен; в — распределение зерен по размеру [31].

Скачать (779KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микроструктура исходного образца (ПЭМ): а — светлопольное изображение с микроэлектронограммой; б — темнопольное изображение в рефлексе β-фазы.

Скачать (225KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты EBSD-анализа структуры поверхности образца после лазерной обработки: а — ориентационная карта; б — распределение зерен по размеру; в — гистограмма распределения взаимных разориентаций зерен и субзерен.

Скачать (648KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Профили разориентировки структурных элементов вдоль выбранных направлений 1, 2, 3 на ориентационной карте.

Скачать (292KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Тонкая структура мартенсита в микропакете: а — светлопольное изображение с микроэлектронограммой; б – темнопольное изображение, полученное в рефлексе (100) α` (указан стрелкой на микроэлектронограмме).

Скачать (217KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Тонкая структура мартенсита в соседних микропакетах; а — светлопольное изображение; б, в — темнопольные изображения, полученные в рефлексах: б — ТП1 (002)α`; в — ТП2 (201)ω; г — микроэлектронограмма.

Скачать (555KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Участок дифрактограммы исходного (1) и обработанного лазером (2) образцов. Штрихами показаны табличные значения углов отражения от плоскостей α(α`) — ▲, и ω-фаз — ■.

Скачать (119KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Тонкая структура равноосных зерен α-Zr: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение, полученное в рефлексе (100)α (указан стрелкой на 8в); в — микроэлектронограмма.

Скачать (268KB)
Метаданные