Внедрение водорода в титан методами вакуумной плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) и насыщение из плазмы высокочастотного разряда (ВЧР).

Изучено внедрение водорода в титан ВТ1-0 методами плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) плазменным источникам с накаленным катодом (ПИНК) и из водородной плазмой высокочастотного разряда (ВЧР). Режимы внедрения водорода выбираются исходя из требования максимального содержания водорода в образцах. Установлено, что насыщение из плазмы ВЧР приводит к значительному обогащению на глубину 1,2 мкм, а при внедрении водорода ПИИИ эта глубина составляет 0,6 мкм. Содержание водорода 0,06 мас. % в образцах после насыщения в плазме ВЧР и 0,05 мас.% после ПИИИ. При ПИИИ (с энергией 1,5 кэВ) водород сильно рассеивается поверхностью образца и захватывается преимущественно поверхностными дефектами (в том числе созданными самими ионами), а также вакансиями в приповерхностных слоях.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
Глава 1. Литературный обзор……………………………………………………………………. 17
1.1. Проникновение и состояние водорода в металлах …………………………… 17
1.2. Взаимодействие водорода с титаном ………………………………………………. 18
1.3. Фазовая диаграмма состояний Ti-H ………………………………………………… 22
1.4. Водородная активность промежуточных участков в титановой решетке
………………………………………………………………………………………………………………… 26
1.5. Методы насыщения образцов водородом ……………………………………….. 27
1.5.1. Насыщение водородом из газовой фазы при нагревании (метод
Сивертса) …………………………………………………………………………………………………. 27
1.5.2. Электролитическое насыщение водородом ………………………………. 29
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 33
Глава 2. Приборы и методы исследования ………………………………………………… 34
2.1. Рентгеновский дифрактометр «XRD-7000S» …………………………………… 34
2.2. Анализатор водорода RHEN 602 фирмы LECO ………………………………. 35
2.3. Оптическая спектрометрия плазмы тлеющего разряда «GD-Profiler2»38
2.4. Установка для изучения термо- и радиационно-стимулированного
газовыделения (НИ ТПУ) …………………………………………………………………………. 40
2.5. Металлографический оптический микроскоп МЕТАМ ЛВ ……………… 43
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 45
Глава 3. Экспериментальная часть ……………………………………………………………. 46
3.1. Материал и пробоподготовка …………………………………………………………. 46
3.2. Использованные установки для внедрения водорода в титан…………… 46
3.2.1. Установка для плазменно-иммерсионной имплантации
высокоинтенсивными пучками ионов водорода и параметры, использованные
для внедрения водорода …………………………………………………………………………… 46
3.2.2. Установка для насыщения из водородной плазмы и параметры,
использованные для внедрения водорода …………………………………………………. 49
3.3. Результаты и обсуждение ……………………………………………………………….. 53
3.3.1. Рентгеноструктурный анализ до и после ПИИИ и ВЧР плазмы … 53
3.3.2. Концентрация водорода в сплаве ВТ1-0 до и после ПИИИ и ВЧР
плазмы …………………………………………………………………………………………………….. 55
3.3.3. Послойное распределение элементов в сплаве титана ВТ1-0 после
ПИИИ и ВЧР плазмы ……………………………………………………………………………….. 56
3.3.4. Температурные спектры газовыделения из образцов после ПИИИ
и ВЧР плазмы…………………………………………………………………………………………… 58
3.3.5. Структура образцов и топография их поверхности после ПИИИ и
ВЧР плазмы ……………………………………………………………………………………………… 63
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 66
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение…………………………………………………………………………………… 67
4.1. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………. 69
4.2. SWOT-анализ …………………………………………………………………………………. 70
4.3. Планирование научно-исследовательских работ……………………………… 72
4.3.1. Разработка графика проведения научного исследования …………… 72
4.4. Бюджет научного исследования ……………………………………………………… 76
4.5. Организационная структура проекта ………………………………………………. 82
4.6. Матрица ответственности ………………………………………………………………. 83
4.7. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ….. 85
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 89
Глава 5. Социальная ответственность ……………………………………………………….. 90
5.1. Вредные факторы проектируемой производственной среды ……………. 90
5.1.1. Производственный шум …………………………………………………………… 90
5.1.2. Микроклимат …………………………………………………………………………… 91
5.1.3. Расчет искусственной освещенности ………………………………………… 92
5.2. Выявление опасных факторов проектируемой производственной среды
………………………………………………………………………………………………………………… 96
5.2.1. Электробезопасность ……………………………………………………………….. 96
5.2.2. Пожаровзрывобезопасность……………………………………………………… 98
5.3. Промсанитария на рабочем месте …………………………………………………. 100
5.4. Охрана окружающей среды ………………………………………………………….. 101
5.5. Защита в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………….. 102
5.6. Правовые вопросы обеспечения безопасности ………………………………. 104
Выводы ………………………………………………………………………………………………….. 104
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 105
Список литературы ………………………………………………………………………………… 106
Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 117

В данной магистерской диссертации представлено исследование
механизмы накопления водорода в титановый сплав ВТ1-0 при внедрении
водорода методами ПИИИ и ВЧР-плазмы. В процессе исследования проведен
литературный обзор про механизмы взаимодействия водорода с металлами, в
частности с титаном, а также методы насыщения материалов водородом. В
экспериментальной части работы продемонстрированы использованные
установки для внедрения водорода, а также результаты исследования после
внедрения водорода в титановый сплав ВТ1-0. Установлено, что насыщение
водородом из ВЧР-плазмы титанового сплава ВТ1-0 приводит к обогащению
до глубины 1,2 мкм, при внедрении водорода методом ПИИИ эта глубина
составляет 0,6 мкм. При этом концентрация водорода в образцах после
насыщения в ВЧР-плазме на 17 % больше по сравнению с содержанием
водорода после ПИИИ при подобранных по максимуму содержания водорода
режимах насыщения и внедрения. При ПИИИ в зависимости от режима
облучения водород захватывается преимущественно поверхностными и
приповерхностными дефектами, а при насыщении из ВЧР-плазмы водород
захватывается поверхностными дефектами и диффундирует вглубь образца.
При этом насыщение из ВЧР-плазмы и ПИИИ приводит к незначительному
изменению кристаллических параметров и не приводит созданию гидридных
фаз. Указанные закономерности при ПИИИ можно объяснить сильным
обратным рассеянием ускоренных ионов водорода поверхностью, а также
образованием поверхностных и приповерхностных дефектов, которые
являются «ловушками» водорода, так что водорода в образец проникает
мало. В то же время, при погружении образца в плазму ВЧР, ионы и атомы
водорода легко захватываются, дефектами поверхности и диффундируют в
объём образца. Таким образом, полученные результаты могут быть
использованы для разработки технологий защиты функциональных и
конструкционных материалов от водородного охрупчивания.