сгенерировать QR код
Открытый доступ
Только для подписчиков
Исследование первичного дефектообразования в каскадах смещений в титане
https://doi.org/10.22349/1994-6716-2021-108-4-216-232
Аннотация
Методом молекулярной динамики смоделированы радиационные повреждения в каскадах смещений, инициированных первично выбитыми атомами (ПВА) с энергией EРКА= 5, 10, 15 и 20 кэВ в α-Ti при температурах 100, 300, 600 и 900 К. Для каждой пары параметров (EРКА, Т) смоделирована серия из 24 каскадов смещений. Необходимый размер статистической выборки обосновали a posteriori при помощи простой процедуры. Получили число пар Френкеля, долю вакансий εv и междоузельных атомов εi в кластерах точечных дефектов в зависимости от значений (EPKA, T). Обнаружено, что каскады смещений в α-Ti вытянуты вдоль траектории высокоэнергетичных ПВА и распадаются на субкаскады. В противоположность другим чистым металлам с плотноупакованной кристаллической структурой в каскадах смещений в α-Ti выполняется соотношение εv≥εi. Более того, как εv, так и εi, практически не зависят от температуры. Это косвенно указывает на термическую стабильность вакансионных и междоузельных кластеров в α-Ti в рассмотренном температурном интервале.
Ключевые слова
α-титан,
радиационные повреждения,
пары Френкеля,
кластеры точечных дефектов,
каскады смещений,
молекулярная динамика
При поддержке: Работы выполнены с использованием высокопроизводительных вычислительных ресурсов центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» НИЦ «Курчатовский институт»
Об авторе
Р. Е. Воскобойников
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»; Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук
115409, Москва, Каширское ш., 31; 123182, Москва,
пл. Академика Курчатова, 1
Список литературы
1. Proc. 13th World Conf. on Titanium / Ed . V. Venkatesh , A. L. Pilchaketal . – Hoboken, Wiley, 2015. – 1959 p.
2. Froes F., Qian M., Niinomi M. Titanium for Consumer Applications: Real World Use of Titanium. – Amsterdam: Elsevier, 2019. – 384 p.
3. Brunette D. M., Tengval l P., Textor M., Thomsen P. Titanium in medicine: materialscience, surface science, engineering, biological responses and medical applications // Berlin: Springer-Verlag, 2001. – 1019 p.
4. Niinomi M. Metals for Biomedical Devices, 2nd ed. – Duxford: Woodhead Publishing, 2019. – 596 p.
5. Oshida Y. Bioscience and Bioengineering of Titanium Materials, 2nd ed. – Amsterdam: Elsevier, 2012. – 516 p.
6. Jin M., Yao S., Wang L., Qiao Y., Volinsky A. Enhanced bond strength and bioactivity of interconnected 3D TiO2 nanoporous layer on titanium implants // Surf. Coat. Technol. – 2016. – V. 304. – P. 459–467.
7. Tabie V. M., Li C., Saifu W., Li J., X u X. Mechanical properties of near alpha titanium alloys for high-temperature applications – a review // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. – 2020. – V. 92 (4). – P. 521–540.
8. Breeze P. Gas-Turbine Power Generation. – London: Academic Press, 2016 – 104 p.
9. Whittaker M. Titanium in the Gas Turbine Engine // Advances in Gas Turbine Technology. – Chapter 14 / Ed. E. Benini, 2011 – P. 315–336.
10. Muktinutalapati N. R. Materials for Gas Turbines – An Overview // Advances in Gas TurbineTechnology. – Chapter 13 / Ed. E. Benini, 2011. – P. 293–314.
11. Donachie M. J. Titanium, A Technical Guide, 2nd ed. – Cleveland, OH: ASM International, 2000. – 381 p.
12. Gogia A. K. High Temperature Titanium Alloys // Defence Science Journal. – 2005. – N 55(2). – P. 149–173.
13. Ушков С. С., Кожевников О. А. Опыт применения и значение титановых сплавов для развития атомной энергетики России // Вопросы материаловедения. – 2009. – № 59(3). – С. 172–187.
14. Орыщенко А. С., Кудрявцев А. С., Михайлов В. И., Леонов В. П. Титановые сплавы для морской техники и атомной энергетики // Вопросы материаловедения. – 2011. – № 65(1). – С. 60–74.
15. Горынин И. В., Рыбин В. В., Ушков С. С., Кожевников О. А. Титановые сплавы как перспективные реакторные материалы // Радиационное материаловедение и конструктивная прочность реакторных материалов: Юбилейный сборник, посвященный 100-летию акад. И. В. Курчатова и А. П. Александрова. – СПб.: ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», 2002. – С. 37–45.
16. Boyer R. R. Titanium and Its Alloys: Metallurgy, Heat Treatment and Alloy Characteristics // Encyclopedia of Aerospace Engineering, Online – Hoboken, NJ: Wiley, 2010.
17. Bauer S., Schmuki P., Vonder M . K., Park J. Engineering biocompatible implant surfaces Part I: Materials and surfaces // Prog. Mater. Sci. – 2013. – N 58. – P. 261–326.
18. Dong H. Surface engineering of light alloys. Aluminium, magnesium and titanium alloys. – Cambridge, UK: Woodhead Publishing, 2010 – 680 p.
19. Zeidlera H., Boettger -Hiller F., Edelmann J., Schubert A. Surface Finish Machining of Medical Parts Using Plasma Electrolytic Polishing // Procedia CIRP. – 2016. – N 49. – P. 83–87.
20. Kemény A., Hajdu I., Károly D., Pammer D. Osseointegration specified grit blasting parameters // Materials Today: Proceedings. – 2018. – N 5(13), Part 2. – P. 26622–26627.
21. Surface Modification of Materials by Ion Implantations for Industrial and Medical Applications, IAEA-TECDOC-1165, Vienna: International Atomic Energy Agency, 2000. – 108 p.
22. Nastasi M., Mayer J. W. Ion Implantation and Synthesis of Materials. – Berlin: SpringerVerlag, 2006. – 263 p.
23. García J. A., Rodríguez R. J. Ion implantation techniques for non-electronic applications // Vacuum. – 2011. – N 85. – P. 1125–1129.
24. Rautray T. R., Narayanan R., Kim K.-H. Ion implantation of titanium based biomaterials // Prog. Mater. Sci. – 2011. – N 56. – P. 1137–1177.
25. Renk T. J., Buchheit R. G., Sorensen N. R., Cowell S. D., Thompson M. O., Grabowsk i K. S. Surface treatment and alloying with high-power ion beams to improve properties in Al-, Fe-, and Ti-based metals // Digest of Technical Papers11th IEEE International Pulsed Power Conference. Vol. 1. – New York: IEEE, 1997 – P. 192–197.
26. 21st Int. Conf. “Surface Modification of Materials by Ion Beams (SMMIB-2019)”. Tomsk, National Research Tomsk Polytechnic University, 25–30 August 2019. – 200 p.
27. Nastasi M., Mayer J. W., Hirvonen J. K. Ion-Solid interactions: Fundamentals and Applications. – Cambridge: Cambridge University Press, 1996. – 572 p.
28. Was G. S. Fundamentals of Radiation Materials Science. Metals and Alloys. 2nd ed. – Amsterdam: Elsevier, 2017 – 1002 p.
29. Cai W., Li J., Uberuaga B. P., Yip S. Molecular Dynamics // Comprehensive Nuclear Materials. V. 1 (Second Edition) / Ed. R. J. M. Konings, R. E. Stoller. – Amsterdam: Elsevier, 2020. – P. 573–594.
30. Stoller R. E., Zarkadoula E. Primary Radiation Damage Formation in Solids // Comprehensive Nuclear Materials. Vol. 1 (Second Edition) / Ed. R. J. M. Konings, R. E. Stoller. – Amsterdam: Elsevier, 2020. – P. 620–662.
31. Wooding S. J., Bacon D. J., Phyt h i an W. J. A computer simulation study of displacement cascades in α-titanium // Philos Mag A. – 1995. – V. 72(5). – P. 1261–1279.
32. Zope R. R., Mishin Y. Interatomic potentials for atomistic simulations of the Ti–Al system // Phys. Rev. B. – 2003. – N 68. – P. 024102–1–14.
33. Daw M. S., Baskes M. I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B. – 1984. – N 29. – P. 6443–6453.
34. Gärtner K., Stoc k D., Weber B., Betz G., Hautala M., Hobler G., Hou M., Sarite S., Eckstein W., Jiméne z -Rodríguez J. J., Pérez -Martín A. M. C., Andribet E. P., Konoplev V., Gras -Marti A., Posselt M., Shapiro M. H., Tombrello T. A., Urbassek H. M., Hensel H., Yamamura Y., Takeuchi W. Round robin computer simulation of ion transmission through crystalline layers // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 1995. – N 102. – P. 183–197.
35. Biersack J. P., Ziegler J. F. Refined universal potentials in atomic collisions // Nucl. Instr. Meth. – 1982. – N 194. – P. 93–100.
36. Ziegler J. F., Biersack J. P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Matter // Treatise on Heavy-Ion Science. Vol. 6: Astrophysics, Chemistry, and Condensed Matter / Ed. D. A. Bromley. – New York: Springer, 1985 – P. 93–129.
37. Shirley C. G., Chaplin R. L. Evaluation of the Threshold Energy for Atomic Displacements in Titanium // Phys. Rev. B. – 1972. – N 5. – P. 2027–2029.
38. Sattonnay G., Rullier - Albenque F., Dimitrov O. Determination of displacement threshold energies in pure Ti and in γ-TiAl alloys by electron irradiation // J. Nucl. Mater. – 1999. – V. 275(1). – P. 63–73.
39. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособие. Т. І: Механика. – Изд. 4-е. – М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 214 с.
40. Фок В. А. Начала квантовой механики. – М.: Наука, 1976. – 376 с.
41. Thermophysical Properties of Mater: The TPRC Data Series. Vol. 12. Thermal Expansion: Metallic Elements and Alloys / Ed. Y. S. Touloukian. – New York: IFI/Plenum, 1975. – 346 p.
42. Russell A. M., Cook B. A. Coefficient of thermal expansion anisotropy and texture effects in ultra-thin titanium sheet // Scripta Mater. – 1997. – V. 37(10). – P. 1461–1467.
43. Ziegler J . F . SRIM – The Stopping and Range of Ions in Matter. URL: http://www.srim.org/ SRIM/ SRIMLEGL.htm (reference date 24.11.2021).
44. Paul H. Nuclear stopping power and its impact on the determination of electronic stopping power // AIP Conf. Proc. – 2013. – V. 1525. – P. 309–313.
45. Allen M. P., Tildesle y D. J. Computer Simulation of Liquids. – Oxford: Clarendon Press, 1987 – 408 p.
46. Marqués L. A., Rubio J. E., Jaraíz M., Enríquez L., Barbolla J. An improved molecular dynamics scheme for ion bombardment simulations // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 1995. – N 102. – P. 7–11.
47. Voskoboinikov R. E., Osetsky Yu. N., Bacon D. J. Statistics of primary damage creation in high-energy displacement cascades in copper and zirconium // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2006. – N 242. – P. 68–70.
48. Voskoboinikov R. An MD study of primary damage formation in aluminium // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2019. – N 460. – P. 86–91.
49. Voskoboinikov R. A contribution of L10 ordered crystal structure to the high radiation tolerance of γ-TiAl intermetallics // Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2019. – N 460. – P. 92–97.
50. Voskoboinikov R. An insight into radiation resistance of D019 Ti3Al intermetallics // J Nucl. Mater. – 2019. – N 519. – P. 239–246.
51. Voskoboinikov R. MD simulations of primary damage formation in L12 Ni3Al intermetallics // J. Nucl. Mater. – 2019. – N 522. – P. 123–135.
52. Voskoboinikov R. MD simulations of collision cascades in the vicinity of a screw dislocation in aluminium // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2013. – N 303. – P. 104–107.
53. Voskoboinikov R. Interaction of collision cascades with an isolated edge dislocation in aluminium // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2013. – N 303. – P. 125–128.
54. Lindemann P. Über die Berechnung molekularer Eigenfrequenzen // Physikalische Zeitschrift. – 1910. – N 11. – P. 609–612.
55. Nordlund K., Averback R. S. Point defect movement and annealing in collision cascades// Phys Rev B. – 1997. – V. 56. – P. 2421–2431.
56. Voskoboinikov R. E., Osetsky Yu. N., Bacon D. J. Computer simulation of primary damage creation in displacement cascades in copper. I. Defect creation and cluster statistics// J. Nucl. Mater. – 2008. – V. 377. – P. 385–395.
57. Norgett L. K., Robinson M. T., TorrensI. M. A proposed method for calculating displacement dose rates // Nucl. Eng. Design. – 1975. – N 33. – P. 50–54.
58. Nordlund K., Sand A. E., Granberg F., Zinkle S. J., Stoller R., Averback R. S., Suzudo T., Malerba L., Banhart F., Weber W. J., Willaime F., Dudarev S., Simeone D. Primary Radiation Damage in Materials: Review of Current Understanding and Proposed New Standard Displacement Damage Model to Incorporate In-cascade Mixing and Defect Production Efficiency Effects. – OECD Nuclear Energy Agency. – Paris: OECD, 2015. – 87p.
59. Broeders C. H. M., Konobeyev A. Yu. Defect production efficiency in metals under neutron irradiation // J. Nucl. Mater. – 2004. – N 328. – P. 197–214.
60. Konobeyev A. Yu., Fischer U., Korovin Yu. A., Simakov S. P. Evaluation of effective threshold displacement energies and other data required for the calculation of advanced atomic displacement cross-sections // Nuclear Energy and Technology. – 2017. – N 3. – P. 169–175.
61. Bacon D. J., Osetsky Yu. N., Stoller R., Voskoboinikov R. E. MD description of damage production in displacement cascades in copper and α-iron // J. Nucl. Mater. – 2003. – N 323. – P. 152–162.
62. Bacon D. J., Gao F., Osetsky Yu. N. The primary damage state in FCC, BCC and HCP metals as seen in molecular dynamics simulations // J. Nucl. Mater. – 2000. – N 276. – P. 1–12.
63. Voskoboinikov R. Statistics of primary radiation defects in pure nickel // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2020. – N 478. – P. 201–204.
64. Osetsky Yu., Rodney D. Atomic-Level Dislocation Dynamics in Irradiated Metals // Comprehensive Nuclear Materials. Vol. 1 (Second Edition) / Ed. R. J. M. Konings, R. E. Stoller. – Amsterdam: Elsevier, 2020. – P. 663–688.
65. Voskoboinikov R. E., Osetsky Yu. N., Bacon D. J. Interaction of 1/3ۃ112ത0ۄሺ0001ሻ edge dislocation with point defect clusters created in displacement cascades in α-zirconium // Mater. Sci. Eng. A. – 2005. – V. 400–401. – P. 49–53.
Рецензия
Для цитирования:
Воскобойников Р.Е. Исследование первичного дефектообразования в каскадах смещений в титане. Вопросы материаловедения. 2021;(4(108)):216-232. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2021-108-4-216-232
For citation:
Voskoboinikov R.E. A study of primary damage formation in collision cascades in titanium. Voprosy Materialovedeniya. 2021;(4(108)):216-232. (In Russ.) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2021-108-4-216-232
Просмотров:
265
Послать статью по эл. почте 