Анотація до роботи:

Гаркуша І.Є. Механізми ерозії та модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, Харків, 2007.

Дисертацію присвячено вивченню основних механізмів радіаційної ерозії та модифікації твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками в широкому інтервалі корпускулярних (10²³-10²⁸ іон/м²с) і енергетичних (Q = 510⁴-310⁷ Дж/м², P = 1-200 ГВт/м²) навантажень. Визначено відносний внесок розпилення, крихкого руйнування, спучування, випаровування, гідродинамічних нестійкостей поверхневого шару металів і макроскопічного руху розплаву під дією градієнтів тиску плазми і поверхневого натягу уздовж поверхні, що опромінюється, а також ежекції крапель в процес ерозії в умовах термоядерного реактора ІТЕР. Досліджено механізми модифікації поверхневих шарів при опроміненні імпульсними потоками плазми різних іонів, при яких плазмова обробка приводить до істотного поліпшення фізико-механічних властивостей матеріалів. Встановлено гетерофазні перетворення в поверхневих шарах, особливості легування з газової та металевої плазми, а також в процесі перемішування в рідкій фазі.

У дисертаційній роботі розв’язано проблему ідентифікації основних механізмів радіаційної ерозії та модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками в широкому інтервалі корпускулярних (10²³-10²⁸ іон/м²с) і енергетичних (Q = 510⁴-310⁷ Дж/м², P=1-200 ГВт/м²) навантажень, що є новим і не дослідженим раніше інтервалом. У результаті комплексних досліджень процесів взаємодії потужних потоків плазми з різними твердотільними матеріалами виявлені нові фізичні закономірності поведінки твердих тіл під дією екстремальних КЕН, типових для міжнародного термоядерного реактора ІТЕР. Розроблено методи ефективної модифікації поверхневих шарів твердих тіл, що призводять до істотного поліпшення їх фізико-механічних властивостей. Таким чином, розвинуто наукові основи нового напрямку фізики твердого тіла - взаємодія високоенергетичних квазістаціонарних і імпульсних плазмових потоків з речовиною. Основні наукові висновки дисертаційної роботи:

1. В імітаційних експериментах встановлено основні механізми радіаційної ерозії диверторних матеріалів (вольфрам, графіт і ін.) в екстремальних режимах ТЯР. Визначено відносний внесок розпилення, крихкого руйнування, спучування, випаровування, гідродинамічних нестійкостей поверхневого шару металів і макроскопічного руху розплаву, а також ежекції крапель в процес ерозії в умовах ТЯР. Експериментально доведено, що внесок випаровування в ерозію твердотільних елементів ТЯР зменшується більш ніж на порядок величини за рахунок формування екрануючого шару при контакті плазмового потоку з поверхнею. Уперше показано, що випаровування не є визначальним фактором ерозії в ІТЕРі, навіть в умовах впливу плазми з питомою потужністю ~ 200 ГВт/м².

2. Радіаційна ерозія металів при КЕН, типових для зривів в ІТЕРі, значною мірою визначається макроскопічним рухом розплавленого шару, що викликаний градієнтом тиску плазми. Зокрема, цей процес є домінуючим механізмом макроскопічної ерозії вольфраму, як основного конструкційного матеріалу. Показано, що градієнт поверхневого натягу не надає істотного внеску в результуючий профіль ерозії. В умовах малих градієнтів тиску уздовж опроміненої поверхні, що характерно для ВЗШ у ІТЕРі, розвиток рельєфу поверхні визначається нестійкістю Кельвіна-Гельмгольця, що приводить до формування хвильової структури на опроміненій поверхні і супроводжується краплинною ерозією верхівок гребенів хвиль.

3. Встановлено особливості радіаційної ерозії вольфраму в умовах циклічних плазмових навантажень типу ELM. Показано, що втрати маси вольфраму при навантаженнях нижче порога плавлення визначаються процесом фізичного розпилення. Багаторазово повторювані КЕН приводять до формування на поверхні вольфраму макроскопічних тріщин і сітки міжзеренних мікротріщин, що мають принципово різну фізичну природу. Макротріщини є результатом ефектів переходу з пластичного в крихкий стан у процесі остигання поверхневого шару. Міжзеренні мікротріщини є атрибутом інтенсивного плавлення і їх формування пов’язане з нерівноважним затвердінням розплаву, в тому числі й в умовах постійної підтримки температури вище в’язко-крихкого переходу. Сусідство вольфраму і вуглецевих композитів, як компонентів дивертора ТЯР, приводить до взаємного переосадження, що, зокрема, супроводжується формуванням фаз карбідів вольфраму W₂C і WC і інтенсифікує процес ерозії вольфраму, у тому числі і внаслідок крихкого руйнування.

4. Виявлено граничний характер морфологічних змін поверхні вольфраму і масових втрат при циклічному опроміненні в умовах плавлення поверхневого шару. Показано, що гранична доза опромінення визначається дією сил поверхневого натягу в межах осередків сітки міжзеренних тріщин на опроміненій поверхні. Разом з тим, спучування профілю поверхні при збільшенні дози опромінення, зумовлено розвитком макротріщин, паралельних поверхні, у шарі, що значно перевищує товщину розплаву. Вивчено вплив електричних струмів у поверхневому шарі та зовнішнього магнітного поля на макроскопічну ерозію вольфраму в ТЯР.

5. Проведено порівняльний аналіз експериментальних результатів і чисельного моделювання впливу екстремальних КЕН за допомогою розроблених для ІТЕРа кодів MEMOS і FOREV. Одержані експериментальні дані використані для удосконалювання чисельних моделей, що описують процеси зривів і ELMs у ТЯР.

6. Розвинуто фізичні основи модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні імпульсними плазмовими потоками. Високошвидкісне нагрівання і плавлення оброблюваної поверхні, значні градієнти температури (~ 10⁶ К/см) і концентрації домішкових часток, що виникають у поверхневому шарі, сприяють з однієї сторони швидкій дифузії атомів плазмового потоку вглиб модифікованого шару, а з іншого боку, фазовим перетворенням у модифікованому матеріалі і формуванню за рахунок високошвидкісного плазмового гартування дрібнодисперсних та квазіаморфних структур.

7. Досліджено трибологічні властивості модифікованих шарів різних сталей і динаміку зносу в умовах сухого тертя. Показано, що опромінення імпульсними плазмовими потоками приводить до значного підвищення зносостійкості (у 4-20 разів в залежності від типу сталі і режиму опромінення) і мікротвердості в поверхневому шарі глибиною до 50-100 мкм, у тому числі і для попередньо загартованих сталей. Досліджено вплив імпульсного плазмового опромінення на корозійні властивості і кавітаційну стійкість модифікованих шарів сталей.

8. Вивчено гетерофазні перетворення в поверхневих шарах конструкційних сталей і металокерамічних сплавів при опроміненні імпульсними плазмовими потоками, включаючи нові фази, привнесені впливом азотної плазми. Основними процесами, що визначають структуру поверхневого шару, є утворення фаз протягом короткого імпульсного опромінення, взаємодія фаз із уведеними домішками, і подальше швидке охолодження. Встановлено вплив легуючих елементів у сталях на структурно-фазові зміни при плазмовому опроміненні.

9. Вивчено особливості легування конструкційних сталей з газової (азотування) та металевої плазми. Показано, що при взаємодії плазмового потоку з поверхнею відбувається ефективне впровадження азоту в структуру матеріалу за рахунок дифузії з газової плазми під час перебування поверхневого шару в розплавленому стані. За допомогою Мессбауерівської спектроскопії виявлено формування перенасиченого аустеніту - g_N фази, у якій Мессбауерівські атоми Fe мають у найближчому оточенні впроваджені атоми N. Показано, що зміцнення унаслідок високошвидкісного гартування і формування домінуючих включень g_N фази, збагаченої азотом (до 45-50 % фазового складу), вносять приблизно рівний внесок у поліпшення зносостійкості модифікованого шару.

10. Встановлено вплив імпульсного плазмового опромінення на широке коло твердотільних матеріалів: рідкоземельні постійні магніти, кремній, титанові сплави, різні покриття, металогідриди та ін. Плазмова обробка сталей з попередньо нанесеними покриттями дозволяє здійснювати легування матеріалів атомами нанесеної плівки внаслідок рідкофазного перемішування покриття з матеріалом субстрату при плазмовому опроміненні. Зокрема, показано, що імпульсна плазмова обробка сталей з покриттями FеВ приводить до боронізації модифікованого шару, а імпульсне опромінення плівок TiAlN забезпечує створення проміжного перемішаного шару для наступного нанесення твердосплавних покриттів. Досліджено зміни структури товстих покриттів лопаток турбін типу Co-32Ni-21Cr-8Al-0,5Y і показано можливість значного зменшення як розміру зерна (до сотень нм), так і пористості поверхневого шару покриттів та шорсткості. Вплив імпульсних плазмових потоків на поверхню постійних магнітів на основі Nd-Fe-B приводить до модифікації матеріалу з формуванням аморфного шару. Визначено особливості поводження гідридоутворюючих матеріалів на основі Zr₅₅V₄₀Fe₅ в умовах значних КЕН, динаміку водню і екрануючі властивості оборотних геттерів при взаємодії з високоенергетичною плазмою. Встановлено вплив кінетики дифузії і десорбції водню на процеси ерозії в умовах плазмового опромінення.

Публікації автора:

1. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Garkusha V.V., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Characteristics of transient plasma layers produced by irradiation of graphite targets by high power quasi-stationary plasma streams under the disruption simulation conditions // J. Nucl. Mater.- 1996.- V.233-237.- P.736-740.

2. Garkusha I.E., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Derepovski N.T., Mller G., Schumacher G., Poltavtsev N.S., Tereshin V.I. Properties of modified surface layers of industrial steels samples processed by pulsed plasma streams // Vacuum.- 2000.- V.58.- P.195-201.

3. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Bovda A.M. Application of pulsed plasma accelerators for surface modification // Nukleonika.- 2001.-V.46.- P.27-30.

4. Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Wuerz H. Melt layer behavior of metal targets irradiated by powerful plasma streams // J. Nucl. Mater.- 2002.- V. 307-311.- P.106-110.

5. Tereshin V.I., Bandura A.N., Bovda A.M., Brown I., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Tortika A.S. Pulsed plasma accelerators of different gas ions for surface modification // Rev. Sci. Instrum.- 2002.- V.73.- №2.- P.831-833.

6. Langner J., Piekoszewski J., Werner Z., Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Walis L., Sartowska B., Starosta W., Szymczyk W., Kopcewicz M., Grabias A. Surface modification of constructional steels by irradiation with high intensity pulsed nitrogen plasma beams // Surface and Coatings Technology.- 2000.- V.128-129.- P.105-111.

7. Tereshin V.I., Garkusha I.E., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Wuerz H. Influence of plasma pressure gradient on melt layer macroscopic erosion of metal targets in disruption simulation experiments // J. Nucl. Mater.- 2003.- V.313-316.- P. 685-689.

8. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Solyakov D.G. Research and applications of quasi-steady- and pulsed-plasma accelerators at IPP NSC KIPT // Journal of Technical Physics.- 2000.- V.41.- N2.- P.169-176.

9. Гаркуша И.Е., Дереповский Н.Т., Казаков О.Е., Полтавцев Н.С., Соляков Д.Г., Терешин В.И., Чеботарев В.В., Гамуля Г.Д., Островская Е.Л., Юхно Т.П., Боме Р., Шумахер Г. Модификация конструкционных и инструментальных материалов при облучении импульсными плазменными потоками // Вопросы Атомной Науки и Техники.- 1997.- №1-2.- C.172-176.

10. Garkusha I.E., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Landman I., Makhlaj V.A., Marchenko A.K., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V. Tungsten erosion under plasma heat loads typical for ITER type I ELMs and disruptions // J. Nucl. Mater.- 2005.-V.337-339.- P.707-711.

11. Волков Я.Ф., Волошко А.Ю., Гаркуша И.Е., Казаков О.Е., Кулик Н.В., Маринин В.В., Митина Н.И., Соляков Д.Г., Терешин В.И., Тиаров М.А., Трубчанинов С.А., Царенко А.В., Чеботарев В.В. Методы диагностики мощных потоков плазмы, генерируемых квазистационарным плазменным ускорителем (КСПУ) // Физика плазмы.- 1992.- T.18.- В.4.- C.459-463.

12. Tereshin V.I. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Morozov A.I., Solyakov D.G., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Investigation of high power quasi-steady-state plasma streams interaction with mirror magnetic field and current disruption simulation // Transactions of fusion technology.- 1999.- V.35.- №1.- P.248-252.

13. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Langner J., Piekoszewski J., Sadowski M., Starosta W., Tereshin V.I., Derepovski N.T. Surface structure changes induced by pulsed plasma streams processing // Вопросы Атомной Науки и Техники.- 1999.- №3-4.- C.273-275.

14. Волков Я.Ф., Гаркуша И.Е., Казаков О.Е., Митина Н.И., Соляков Д.Г., Терешин В.И., Тиаров М.А., Трубчанинов С.А., Чеботарев В.В. Методы исследования приповерхностных плазменных слоев, образованных при воздействии мощных потоков плазмы на материальную преграду в условиях, близких к тепловой фазе срыва тока в токамаке ИТЭР // Физика плазмы.- 1994.- T.20.- В.1.- C.77-80.

15. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Langner J., Sadowski M., Tereshin V.I. Shielding effect under pulsed plasma stream processing // Journal of Technical Physics.- 1999.- V.40.- N1.- P.469-472.

16. Bandura A.N., Bovda A.M., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Tereshin V.I., Tortika A.S. Influence of pulsed plasma streams processing on wear behavior of steels in different friction conditions // Вопросы Атомной Науки и Техники.- 2000.- №3.- C. 147-149.

17. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Solyakov D.G., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Trubchaninov S.A., Mitina N.I., Morozov A.I., Tsarenko A.V., Wuerz H. Powerful Quasi-Steady-State Plasma Accelerator for Fusion Experiments // Brazilian Journal of Physics.- 2002.-V.32.- P.165-171.

18. Byrka O.V., Bandura A.N., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Langner J., Sadowski M.J., Tereshin V.I. Application of Pulsed Plasma Streams for materials alloying and Coatings modification // Вопросы Атомной Науки и Техники.- 2002.- №4.- C.173-175.

19. Garkusha I.E., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha V.V., Kulik N.V., Makhlaj V.A., Stal’tsov V.V., Tereshin V.I., Landman I., Wuerz H. Melt Layer Macroscopic Erosion of Tungsten and Other Metals under plasma heat loads simulating ITER off-normal events // Вопросы Атомной Науки и Техники 2002.- №5.- C.30-32.

20. Landman I.S., Pestchanyi S.E., Safronov V.M., Bazylev B.N., Garkusha I.E. Material surface damage under high pulse loads typical for ELM bursts and disruptions in ITER // Physica Scripta.- 2004.- V.T111.- P.206-212.

21. Tereshin V.I., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Shvets O.M., Taran V.S. Coating deposition and surface modification under combined plasma processing // Vacuum.- 2004.- V.73.- P.555-560.

22. Bandura A.N., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Marchenko A.K., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V. Application of quasi-steady-state plasma streams for simulation of ITER transient heat loads // Czechoslovak Journal of Physics.- 2004.- V.54.- Suppl. C.- P.53-58.

23. Bovda A., Bovda V., Byrka O., Chebotarev V., Garkusha I., Matyushenko N., Tereshin V., Tortika A., Brown I. Surface modification of Nd-Fe-B based materials with pulsed helium plasma streams // Вопросы Атомной Науки и Техники.- 2005.- №2.- C.202-204.

24. Landman I.S., Bazylev B.N., Garkusha I.E., Loarte A., Pestchanyi S.E., Safronov V.M. Simulation of tokamak armour erosion and plasma contamination at intense transient heat fluxes in ITER // J. Nucl. Mater.- 2005.- V.337-339.- P.761-765.

25. Bandura A.N., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Tereshin V.I., Ladygina M.S. Application of piezodetectors for diagnostics of pulsed and quasi-steady-state plasma streams // Physica Scripta.- 2006.- V.123.- P.84-88.

26. Tereshin V.I., Bandura A.N., Byrka O.V., Garkusha I.E., Chebotarev V.V., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Tsarenko A.V., Landman I. Simulation of ITER transient heat loads to the divertor surfaces with using the powerful quasi-steady-state plasma accelerator // Czechoslovak Journal of Physics.- 2006.- V.56, Suppl. B.- P.162-169.

27. Makhlaj V.A., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Garkusha V.V., Kulik N.V., Landman I., Lebedev S.I., Staltsov V.V., Tereshin V.I. Experimental Study of Plasma-Surface Interaction and Material Damage Relevant to ITER Type I ELMs // Вопросы Атомной Науки и Техники.- 2006.- №6.- C.74-76.

28. Borisko V.N., Garkusha I.E., Chebotarev V.V., Lototsky M.V., Langner J., Sadowski M.J., Tereshin V.I., Shmal’ko Yu.F. Influence of high-power plasma streams irradiation on surface erosion behavior of reversible hydrogen getters // J. Nucl. Mater.- 2003.- V.313-316.- P.465-468.

29. Tereshin V.I., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Landman I., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Tsarenko A.V. Repetitive plasma loads typical for ITER type-I ELMs: Simulation at QSPA Kh-50 // PLASMA 2005., editors: Sadowski M.J., Dudeck M, Hartfuss H. and Pawelec E. American Institute of Physics.- 2006.- V.812.- P.128-135.

30. Garkusha I.E., Bandura A.N., Bovda A.M., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Poltavtsev N.S., Tereshin V.I., Tortika A.S. Characteristics of Modified Surface Layers on Steel Samples Processed by Pulsed Plasma Streams // Proc. of the 1^st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics and Modification of Materials. 5^th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows.- Tomsk, Russia.- 2000.- P.299-302.

31. Ostrovskaya Y.L., Chebotarev V.V., Gamulya G.D., Garkusha I.E., Kazakov O.Y., Tereshin V.I., Vvedensky Y.V., Yukhno T.P. Wear resistance of surface layers of steels treated with plasma fluxes // 10-th International Colloquim Tribology-Solving Friction and Wear Problems.- Technische Akademie Esslingen.- 1996.- Р.1999-2004.

32. Garkusha I.E., Bazylev B.N., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Landman I.S., Kulik N.V., Makhlaj V.A., Petrov Yu.V., Solyakov D.G., Tereshin V.I. Tungsten melt layer erosion due to JB force under conditions relevant to ITER ELMs // 17^th Int. Conf. on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices.- Hefei, China.- 2006.- P.204.

33. Гаркуша И.Е., Бандура А.Н., Бырка О.В., Бовда А.М., Полтавцев Н.С., Терешин В.И., Тортика А.С., Чеботарев В.В. Особенности формирования модифицированного слоя при облучении конструкционных сталей импульсными плазменными потоками // Труды ХIV Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению.- 2000.- C.218-219.

34. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E. Surface Modification by Pulsed Plasma Streams // 1^st IAEA Technical Committee Meeting on Application of Fusion Energy Research to Science & Technology.- Chengdu, China.- 2000.- P.7-8.

35. Bazylev B., Janeschitz G., Landman I., Pestchanyi S., Loarte A., Federici G., Merola M., Linke J., Zhitlukhin A., Podkovyrov V., Klimov N., Safronov V., Garkusha I. ITER Transient consequences for material damage. Modelling vs. Experiments // 11^th Int. Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications (PFMC-11).- Griefswald, Germany.- 2006.- P.28.