tumnigИзвестия высших учебных заведений. Нефть и газOil and Gas Studies0445-01083033-8174Industrial University of Tyumen10.31660/0445-0108-2024-2-93-103tumnig-1200Research ArticleМАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИMATERIALS AND STRUCTURES IN THE OIL AND GAS INDUSTRYИзучение перспектив применения ионной модификации нитридных покрытий к процессам высокотемпературной коррозии в нефтегазовой отраслиThe prospects of applying ionic modification of nitride coatings to high temperature corrosion processes in the oil and gas industryКадыржановК. К.KadyrzhanovK. K.

Кадыржанов Кайрат Камалович - доктор физико-математических наук, профессор

г. Астана

Kairat K. Kadyrzhanov - Doctor of Physics and Mathematics, Professor

Astana

КозловскийА. Л.KozlovskiyA. L.

Козловский Артем Леонидович - PhD, преподаватель-исследователь

 г. Астана г. Атырау

Artem L. Kozlovskiy - PhD, Teacher-Researcher

Astana

Atyrau

Kozlovskiy.a@inp.kzШлимасД. И.ShlimasD. I.

Шлимас Дмитрий Игорьевич - PhD, преподаватель-исследователь

г. Астана

Dmitriy I. Shlimas -  PhD, Teacher-Researcher

Astana

МолдабаеваГ. Ж.MoldabayevaG. Zh.

Молдабаева Гульназ Жаксылыковна - доктор технических наук, профессор кафедры нефтяной инженерии

г. Алматы

Gulnaz Zh. Moldabayeva - Doctor of Engineering, Professor at the Department of Petroleum Engineering

Almaty 

Евразийский национальный университет им. Л. Н. ГумилеваКазахстанL.N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanЕвразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева; Атырауский университет им. Х. ДосмухамедоваКазахстанL. N. Gumilyov Eurasian National University; Atyrau University named after Kh. DosmukhamedovKazakhstanКазахский национальный исследовательский технический университет имени К. И. СатпаеваКазахстанSatbayev UniversityKazakhstan2024200520240293103Copyright © Кадыржанов К.К., Козловский А.Л., Шлимас Д.И., Молдабаева Г.Ж., 20242024Кадыржанов К.К., Козловский А.Л., Шлимас Д.И., Молдабаева Г.Ж.Kadyrzhanov K.K., Kozlovskiy A.L., Shlimas D.I., Moldabayeva G.Z.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tumnig.tyuiu.ru/jour/article/view/1200

Использование методов ионной модификации, связанных с высокодозным облучением низкоэнергетическими ионами, является одним из перспективных способов повышения устойчивости материалов к внешним воздействиям, включая высокотемпературную коррозию. Сам процесс ионной модификации заключается в создании приповерхностного слоя материала большой дислокационной плотности за счет имплантационных эффектов, что, в свою очередь, приводит к торможению процессов деструкции в результате коррозионных процессов окисления или механических воздействий. В данной работе, применяя метод ионной модификации с целью повышения устойчивости к высокотемпературной коррозии, авторы модифицировали нитридные покрытия толщиной порядка 500 нм. Основная цель применения метода ионной модификации заключалась в повышении прочностных характеристик нитридных покрытий к высоко-температурной коррозии, а также в снижении эффектов деградации покрытий к механическому разупрочнению и износу после коррозионных испытаний. В ходе проведенных исследований было установлено, что использование низкоэнергетического облучения ионами О2+ (40 кэВ) приводит к увеличению стабильности прочностных характеристик при высокотемпературной коррозии (при длительном нагреве в кислородосодержащей среде при температуре 700 °С), а также к снижению износа в сравнении с немодифицированными нитридными покрытиями, нанесенными на поверхность стали 316L. Перспективность данных исследований заключается в разработке новых методов модификации стальных конструкций, что позволит повысить эффективность устойчивости к коррозионным и механическим повреждениям, а также увеличить износостойкость поверхности при внешних механических воздействиях. Возможность увеличения устойчивости за счет деформационных включений, вызванных имплантацией, позволяет увеличить устойчивость к коррозии за счет повышения сопротивляемости материала к высокотемпературному окислению

The use of ion modification methods associated with high-dose irradiation with low-energy ions is one of the promising ways to increase the resistance of materials to external influences, including high-temperature corrosion. The process of ionic modification involves creating a near-surface layer of material with a high dislocation density due to implantation effects. This inhibits destructive processes caused by corrosive oxidation or mechanical influences. In this work, using the ion modification method to improve the resistance to high temperature corrosion, the authors modified nitride coatings of the order of 500 nm thick. The main purpose of using the ion modification method was to increase the strength characteristics of nitride coatings against high-temperature corrosion, as well as to reduce the effects of coating degradation to mechanical softening and wear after corrosion tests. In the course of the studies, it was found that the use of low-energy irradiation with O2+ ions (40 keV) leads to an increase in the stability of strength characteristics during high-temperature corrosion (with prolonged heating in an oxygen-containing environment at a temperature 700 °C), as well as a decrease in wear in comparison with unmodified nitride coatings applied to the surface of 316L steel. The promise of these studies lies in the development of new methods for modifying steel structures, which will improve the efficiency of resistance to corrosion and mechanical damage, as well as increase the wear resistance of the surface under external mechanical influences. The possibility of increasing stability due to deformation inclusions caused by implantation makes it possible to increase corrosion resistance by increasing the resistance of materials to high-temperature oxidation.

ионная модификациязащита от коррозиивысокотемпературная деградацияраспуханиеустойчивость к деградациидислокационная плотностьonic modificationcorrosion protectionhigh temperature degradationswellingresistance to degradationdislocation densityданная работа выполнена в рамках программно-целевого финансирования (программа No. BR18574135) при поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстанthis study was funded under the programme-targeted financing (Programme No. BR18574135) with support from the Committee of Science of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan.ReferencesSchiffmann, K. I. Determination of fracture toughness of bulk materials and thin films by nanoindentation : comparison of different models / K. I. Schiffmann. – DOI 10.1080/14786435.2010.487984. – Direct text // Philosophical Magazine. – 2011. – Vol. 91, Issue 7–9. – P. 1163–1178.Schiffmann, K. I. (2011). Determination of fracture toughness of bulk materials and thin films by nanoindentation: comparison of different models. Philosophical Magazine, 91(7-9), pp. 1163-1178. (In English). DOI: 10.1080/14786435.2010.487984Weppelmann, E. R. Observations and simple fracture mechanics analysis of indentation fracture delamination of TiN films on silicon / E. R. Weppelmann, X. Z. Hu, M. V. Swain. – Direct text // Journal of adhesion science and technology. – 1994. – Vol. 8, Issue 6. – P. 611–624.Weppelmann, E. R., Hu, X. Z., & Swain, M. V. (1994). Observations and simple fracture mechanics analysis of indentation fracture delamination of TiN films on silicon. Journal of adhesion science and technology, 8(6), pp. 611-624. (In English).Sriram, K. A numerical fracture analysis of indentation into thin hard films on soft substrates / K. Sriram, R. Narasimhan, S. K. Biswas. – Direct text // Engineering Fracture Mechanics. – 2003. – Vol. 70, Issue 10. – P. 1323–1338.Sriram, K., Narasimhan, R., & Biswas, S. K. (2003). A numerical fracture analysis of indentation into thin hard films on soft substrates. Engineering Fracture Mechanics, 70(10), pp. 1323-1338. (In English).Rupa, P. K. P. Mechanical and deformation behaviour of titanium diboride thin films deposited by magnetron sputtering / P. K. P. Rupa, P. C. Chakraborti, S. K. Mishra. – DOI 10.1016/j.tsf.2008.12.028. – Direct text // Thin Solid Films. – 2009. – Vol. 517, Issue 9. – P. 2912–2919.Rupa, P. K. P., Chakraborti, P. C., & Mishra, S. K. (2009). Mechanical and deformation behaviour of titanium diboride thin films deposited by magnetron sputtering. Thin Solid Films, 517(9), pp. 2912-2919. (In English). DOI: 10.1016/j.tsf.2008.12.028Small-scale fracture toughness of ceramic thin films: the effects of specimen geometry, ion beam notching and high temperature on chromium nitride toughness evaluation / J. P. Best., J. Zechner, J. M. Wheeler [et al.]. – DOI 10.1080/14786435.2016.1223891. – Direct text // Philosophical Magazine. – 2016. – Vol. 96, Issue 32–34. – P. 3552–3569.Best, J. P., Zechner, J., Wheeler, J. M., Schoeppner, R., Morstein, M., & Michler, J. (2016). Small-scale fracture toughness of ceramic thin films: the effects of specimen geometry, ion beam notching and high temperature on chromium nitride toughness evaluation. Philosophical Magazine, 96(32-34), pp. 3552-3569. (In English). DOI: 10.1080/14786435.2016.1223891Beake, B. D. Nano-impact testing of TiFeN and TiFeMoN films for dynamic toughness evaluation / B. D. Beake, V. M. Vishnyakov, J. S. Colligon. – Text : electronic // Journal of Physics D : Applied Physics. – 2011. – Vol. 44, Issue 8. – URL: https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/8/085301Beake, B. D., Vishnyakov, V. M., & Colligon, J. S. (2011). Nano-impact testing of TiFeN and TiFeMoN films for dynamic toughness evaluation. Journal of Physics D: Applied Physics, 44(8). (In English). Available at: https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/8/085301Fracture properties of thin film TiN at elevated temperatures / J. Buchinger L. Löfler, J. Ast [et al.]. – Text : electronic // Materials & design. – 2020. – Vol. 194. – URL: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108885Buchinger, J., Löfler, L., Ast, J., Wagner, A., Chen, Z., Michler, J., & Bartosik, M. (2020). Fracture properties of thin film TiN at elevated temperatures. Materials & design, (194). (In English). DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108885Wang, A. N. Fracture toughness measurement on TiN hard coatings using internal energy induced cracking / A. N. Wang, G. P. Yu, J. H. Huang. – DOI 10.1016/j.surfcoat.2013.11.010. – Direct text // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 239. – P. 20–27.Wang, A. N., Yu, G. P., & Huang, J. H. (2014). Fracture toughness measurement on TiN hard coatings using internal energy induced cracking. Surface and Coatings Technology, (239), рр. 20-27. (In English). DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.11.010Di Maio, D. Measuring fracture toughness of coatings using focused-ionbeam-machined microbeams / D. Di Maio, S. G. Roberts. – DOI 10.1557/JMR.2005.0048. – Direct text // Journal of materials research. – 2005. – Vol. 20, Issue 2. – P. 299–302.Di Maio, D., & Roberts, S. G. (2005). Measuring fracture toughness of coatings using focused-ion-beam-machined microbeams. Journal of materials research, 20(2), рр. 299-302. (In English). DOI: 10.1557/JMR.2005.0048Mechanical behaviour of metallic thin films on polymeric substrates and the effect of ion beam assistance on crack propagation / M. George, C. Coupeau, J. Colin, J. Grilhé. – DOI 10.1016/j.actamat.2004.09.036. – Direct text // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53, Issue 2. – P. 411–417.George, M., Coupeau, C., Colin, J., & Grilhé, J. (2005). Mechanical behaviour of metallic thin films on polymeric substrates and the effect of ion beam assistance on crack propagation. Acta Materialia, 53(2), рр. 411-417. (In English). DOI: 10.1016/j.actamat.2004.09.036

The authors declare that there are no conflicts of interest present.