tumnigИзвестия высших учебных заведений. Нефть и газOil and Gas Studies0445-01083033-8174Industrial University of Tyumen10.31660/0445-0108-2024-4-159-172tumnig-1238Research ArticleМАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИMATERIALS AND STRUCTURES IN THE OIL AND GAS INDUSTRYИзучение механизмов радиационно-индуцированного охрупчивания и деформационного распухания приповерхностных слоев NbTi, NbTiV, NbTiVZr сплавов, применимых в качестве конструкционных материалов для нефтегазовой и ядерной отраслейStudying the mechanisms of radiation-induced embrittlement and deformation swelling of surface layers of NbTi, NbTiV, NbTiVZr alloys used as structural materials for the oil and gas and nuclear industriesКадыржановК. К.KadyrzhanovK. K.

Кадыржанов Кайрат Камалович, доктор физико-математических наук, профессор

Астана

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

Astana

КозловскийА. Л.KozlovskiyA. L.

Козловский Артем Леонидович, PhD, преподаватель-исследователь

Астана

Атырау

Artem L. Kozlovskiy, PhD, Teacher-Researcher

Astana

Atyrau

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

Шлимас Дмитрий Игорьевич, PhD, преподаватель-исследователь

Астана

Dmitriy I. Shlimas, PhD, Teacher-Researcher

Astana

МолдабаеваГ. Ж.MoldabayevaG. Zh.

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

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 UniversityKazakhstan20240609202404159172Copyright © 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/1238

Определение механизмов деформационного искажения и процессов разупрочнения приповерхностных слоев в сплавах, включая высокоэнтропийные сплавы, является одной из приоритетных задач в современном материаловедении. Интерес к подобным исследованиям, требующим комплексного подхода в определении взаимосвязи между накопленными структурными искажениями и процессами разупрочнения, обусловлен большим потенциалом применения данных сплавов в нефтегазовой и ядерной энергетике нового поколения. С целью оценки устойчивости сплавов на основе соединений NbTi, NbTiV, NbTiVZr к процессам накопления радиационных повреждений эксперименты по облучению были выполнены на ускорителе ДЦ-60 с учетом возможностей моделирования радиационных повреждений как в случае единичных (изолированных) областей повреждения, так и при их перекрытии. Полученные результаты зависимостей изменения структурных параметров исследуемых сплавов в зависимости от количества компонент для облученных образцов являются прямым подтверждением влияния различий атомных радиусов на устойчивость к деформационному растяжению при накоплении радиационных повреждений. Было установлено, что для NbTiVZr сплава наблюдаются наименьшие структурные изменения, вызванные облучением, что свидетельствует о высоких показателях устойчивости к деформационному искажению и снижению прочностных свойств и устойчивости к износу. Определено, что основным механизмом, влияющим на потерю стойкости к износу при трибологических испытаний на трение, является деформационное искажение поврежденного слоя, величина которого определяет деградацию приповерхностного слоя сплавов.

Determining the mechanisms of deformation distortion and softening processes of near-surface layers in alloys, including high-entropy alloys, is one of the priority tasks in modern materials science. Interest in such studies, which require an integrated approach to determining the relationship between accumulated structural distortions and softening processes, is due to the great potential for the use of these alloys in the new generation of nuclear power. In order to assess the resistance of alloys based on NbTi, NbTiV, NbTiVZr compounds to the accumulation of radiation damage, irradiation experiments were carried out at the DC-60 accelerator, taking into account the capabilities of modeling radiation damage, both in the case of single (isolated) areas of damage, and when overlap. The obtained results of the dependences of changes in the structural parameters of the alloys under study depending on the number of components for irradiated samples are direct confirmation of the influence of differences in atomic radii on the resistance to deformation tension during the accumulation of radiation damage. It was found that the NbTiVZr alloy exhibits the smallest structural changes caused by irradiation, which indicates high resistance to deformation distortion and a decrease in strength properties and wear resistance. It has been determined that the main mechanism influencing the loss of wear resistance during tribological friction tests is the deformation distortion of the damaged layer, the magnitude of which determines the degradation of the near-surface layer of the alloys.

радиационно стойкие сплавытрибологические характеристикипрочностные свойстваразупрочнениеradiation-resistant alloystribological characteristicsstrength propertiessofteningДанная работа выполнена в рамках программно-целевого финансирования (программа No. BR18574135) при поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан.This 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.ReferencesMicrostructures, mechanical properties, and irradiation tolerance of the Ti–Zr–Nb–V–Mo refractory high-entropy alloys / H. Zhang, Z. Zhu, H. Huang [et al.]. – Text : electronic // Intermetallics. – 2023. – Vol. 157. – URL: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.107873.Zhang, H., Zhu, Z., Huang, H., He, T., Yan, H., Zhang, Y.,... Li, T. (2023). Microstructures, mechanical properties, and irradiation tolerance of the Ti–Zr–Nb–V–Mo refractory high-entropy alloys. Intermetallics, 157. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.107873From high-entropy alloys to high-entropy ceramics : The radiation-resistant highly concentrated refractory carbide (CrNbTaTiW)C / M. A. Tunes, S. Fritze, B. Osinger [et al.]. – Text : electronic // Acta Materialia. – 2023. – Vol. 250. – URL: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118856.Tunes, M. A., Fritze, S., Osinger, B., Willenshofer, P., Alvarado, A. M., Martinez, E.,... El-Atwani, O. (2023). From high-entropy alloys to high-entropy ceramics: The radiation-resistant highly concentrated refractory carbide (CrNbTaTiW) C. Acta Materialia, 250. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118856Irradiation-Hardening Model of TiZrHfNbMo0.1 Refractory High-Entropy Alloys / Y. Fan, X. Wang, Y. Li [et al.]. – Text : electronic // Entropy. – 2024. – Vol. 26, Issue 4. – URL: https://doi.org/10.3390/e26040340.Fan, Y., Wang, X., Li, Y., Lan, A., & Qiao, J. (2024). Irradiation-Hardening Model of TiZrHfNbMo0.1 Refractory High-Entropy Alloys. Entropy, 26(4). (In English). Available at: https://doi.org/10.3390/e26040340Enhanced plasticity in a Zr-rich refractory high-entropy alloy via electron irradiation / J. Hao, Y. Zhang, Q. Wang [et al.]. – Text : electronic // Journal of Nuclear Materials. – 2024. – Vol. 590. – URL: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154876.Hao, J., Zhang, Y., Wang, Q., Ma, Y., Sun, L., & Zhang, Z. (2024). Enhanced plasticity in a Zr-rich refractory high-entropy alloy via electron irradiation. Journal of Nuclear Materials, 590. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154876Interactions between edge dislocation and irradiation dislocation loop in BCC refractory high entropy alloys and the lattice distortion effect on irradiation hardening behavior / J. Li, Y. Zhu, L. Zhao [et al.]. – Text : electronic // Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – Vol. 1002. – URL: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175286.Li, J., Zhu, Y., Zhao, L., Liang, S., Huang, M., & Li, Z. (2024). Interactions between edge dislocation and irradiation dislocation loop in BCC refractory high entropy alloys and the lattice distortion effect on irradiation hardening behavior. Journal of Alloys and Compounds, 1002. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175286A comparative study of irradiation response in amorphous TaTiWVCr refractory high entropy alloy with the counterpart of tungsten films / G. Pu, S. Sun, S. Wang [et al.]. – Text : electronic // Intermetallics. – 2023. – Vol. 156. – URL: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.107850.Pu, G., Sun, S., Wang, S., Gan, L., Chen, S., Ye, Z.,... Wang, Y. (2023). A comparative study of irradiation response in amorphous TaTiWVCr refractory high entropy alloy with the counterpart of tungsten films. Intermetallics, 156. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.107850Review on preparation technology and properties of refractory high entropy alloys / X. Ren, Y. Li, Y. Qi, B. Wang. – Text : electronic // Materials. – 2022. – Vol. 15, Issue 8. – URL: https://doi.org/10.3390/ma15082931.Ren, X., Li, Y., Qi, Y., & Wang, B. (2022). Review on preparation technology and properties of refractory high entropy alloys. Materials, 15(8). (In English). Available at: https://doi.org/10.3390/ma15082931A quinary WTaCrVHf nanocrystalline refractory high-entropy alloy withholding extreme irradiation environments / O. El Atwani, H. T. Vo, M. A. Tunes [et al.]. – Text : electronic // Nature Communications. – 2023. – Vol. 14, Issue 1. – URL: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38000-y.El Atwani, O., Vo, H. T., Tunes, M. A., Lee, C., Alvarado, A., Krienke, N.,... Martinez, E. (2023). A quinary WTaCrVHf nanocrystalline refractory high-entropy alloy withholding extreme irradiation environments. Nature Communications, 14(1). (In English). Available at: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38000-yOn the room-temperature mechanical properties of an ion-irradiated TiZrNbHfTa refractory high entropy alloy / M. Moschetti, A. Xu, B. Schuh [et al.]. – DOI 10.1007/s11837-019-03861-6. – Direct text // Jom. – 2020. – Vol. 72. – P. 130–138.Moschetti, M., Xu, A., Schuh, B., Hohenwarter, A., Couzinie, J. P., Kruzic, J. J.,... Gludovatz, B. (2020). On the room-temperature mechanical properties of an ion-irradiated TiZrNbHfTa refractory high entropy alloy. Jom, 72, рр. 130-138. (In English). DOI: 10.1007/s11837-019-03861-6Irradiation-induced swelling and hardening in HfNbTaTiZr refractory high-entropy alloy / S. Chang, K. K. Tseng, T. Y. Yang [et al.]. – Text : electronic // Materials letters. – 2020. – Vol. 272. – URL: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127832.Chang, S., Tseng, K. K., Yang, T. Y., Chao, D. S., Yeh, J. W., & Liang, J. H. (2020). Irradiation-induced swelling and hardening in HfNbTaTiZr refractory high-entropy alloy. Materials letters, 272. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127832Ion irradiation response and mechanical behavior of reduced activity high entropy alloy / M. Sadeghilaridjani, A. Ayyagari, S. Muskeri [et al.]. – Text : electronic // Journal of Nuclear Materials. – 2020. – Vol. 529. – URL: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.151955.Sadeghilaridjani, M., Ayyagari, A., Muskeri, S., Hasannaeimi, V., Salloom, R., Chen, W. Y., & Mukherjee, S. (2020). Ion irradiation response and mechanical behavior of reduced activity high entropy alloy. Journal of Nuclear Materials, 529. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.151955Irradiation resistance in Al x CoCrFeNi high entropy alloys / S. Q. Xia, X. Yang, T. F. Yang [et al.]. – Text : electronic // Jom. – 2015. – Vol. 67. – URL: https://doi.org/10.1007/s11837-015-1568-4.Xia, S. Q., Yang, X., Yang, T. F., Liu, S., & Zhang, Y. (2015). Irradiation resistance in Al x CoCrFeNi high entropy alloys. Jom, 67. (In English). Available at: https://doi.org/10.1007/s11837-015-1568-4In-situ study of heavy ion irradiation induced lattice defects and phase instability in β-Zr of a Zr–Nb alloy / H. Yu, Q. Dong, Z. Yao [et al.]. – DOI 10.1016/j.jnucmat.2019.05.028. – Direct text // Journal of Nuclear Materials. – 2019. – Vol. 522. – P. 192–199.Yu, H., Dong, Q., Yao, Z., Zhang, H. K., Kirk, M. A., & Daymond, M. R. (2019). In-situ study of heavy ion irradiation induced lattice defects and phase instability in β-Zr of a Zr–Nb alloy. Journal of Nuclear Materials, 522, рр. 192-199. (In English). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2019.05.028Effects of Structural Radiation Disorder in the Near-Surface Layer of Alloys Based on NbTiVZr Compounds Depending on the Variation of Alloy Components / S. G. Giniyatova, K. K. Kadyrzhanov, D. I. Shlimas [et al.]. – Text : electronic // Crystals. – 2023. – Vol. 13, Issue 11. – URL: https://doi.org/10.3390/cryst13111543.Giniyatova, S. G., Kadyrzhanov, K. K., Shlimas, D. I., Borgekov, D. B., Uglov, V. V., Kozlovskiy, A. L., & Zdorovets, M. V. (2023). Effects of Structural Radiation Disorder in the Near-Surface Layer of Alloys Based on NbTiVZr Compounds Depending on the Variation of Alloy Components. Crystals, 13(11). (In English). Available at: https://doi.org/10.3390/cryst13111543Zhang, Z. The effects of irradiation on CrMnFeCoNi high-entropy alloy and its derivatives / Z. Zhang, D. E. J. Armstrong, P. S. Grant. – Text : electronic // Progress in Materials Science. – 2022. – Vol. 123. – URL: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100807.Zhang, Z., Armstrong, D. E., & Grant, P. S. (2022). The effects of irradiation on CrMnFeCoNi high-entropy alloy and its derivatives. Progress in Materials Science, 123. (In English). Available at: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100807Phase stability and microstructures of high entropy alloys ion irradiated to high doses / S. Xia, M. C. Gao, T. Yang [et al.]. – DOI 10.1016/j.jnucmat.2016.08.017. – Direct text // Journal of Nuclear Materials. – 2016. – Vol. 480. – P. 100–108.Xia, S., Gao, M. C., Yang, T., Liaw, P. K., & Zhang, Y. (2016). Phase stability and microstructures of high entropy alloys ion irradiated to high doses. Journal of Nuclear Materials, 480, рр. 100-108. (In English). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2016.08.017

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