The effect of nanosecond laser treatment on the structure and hardness of the Zr–1%Nb alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Scanning and transmission electron microscopies are used to study the microstructure and phase composition of the surface layer of Zr–1% Nb alloy, which was subjected to treatment by nanosecond laser pulses. During laser treatment, a thin strengthened surface layer with the fine microstructure is found to form. The strengthening of the surface layer no less than 4 μm thick is proved to be due to the formed twin micropackets consisting of martensite nanolamellas and nano-sized ω-Zr phase.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. N. Petrova

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

I. G. Brodova

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

D. Yu. Rasposienko

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

A. I. Valiullin

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

A. O. Kuryshev

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

S. V. Afanasyev

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

A. N. Balakhnin

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Perm, 614013

O. B. Naimark

Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: Ibrodova@mail.ru
Russian Federation, Perm, 614013

References

  1. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.
  2. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Структура циркония и его сплавов. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 1997. 230 с.
  3. Никулина А.В., Решетников Н.Г., Шебалдов П.В. Технология изготовления канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb, установленных в реакторах РБМК // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. 1990. Вып. 2(36). C. 46–53.
  4. Eroshenko A. Yu., Mairambekova A.M., Sharkeev Yu.P., Kovalevskaya Zh.G., Khimich M.A. Structure, phase composition and mechanical properties in bioinert zirconium-based alloy after severe plastic deformation // Letters Mater. 2017. Т. 7. № 4. P. 469–472.
  5. Тарараева Е.М., Муравьева Л.С., Иванов О.С. Строение и свойства сплавов для атомной энергетики. М.: Наука, 1973. 138 с.
  6. Добромыслов А.В. Определение границ области существования метастабильной ω-фазы в сплавах титана и циркония // ФММ. 2023. Т. 124. С. 1220–1230.
  7. Павленко А.В., Добромыслов А.В., Талуц Н.И., Малюгина С.Н., Мокрушин С.С. Ударно-волновые свойства и деформационная структура технически чистого титана // ФММ. 2021. Т. 122. С. 851–858.
  8. Кутсар А.Р., Герман В.Н., Носова Г.И. (альфа-омега) превращение в титане и цирконии в ударных волнах // ДАН СССР. 1973. Т. 213. № 1. С 81–84.
  9. Bickel G.A., Griffiths M., Douchant A., Douglas S., Woo O.T., Buyers A. Improved Zr-2.5Nb pressure tubes for reduced diametral strain in advanced CANDU reactors // American Society for Testing and Materials. Zirconium in the Nuclear Industry. 2010. V. 1529. Р. 327–348.
  10. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Механизм α→ω превращения в цирконии, титане и сплавах на их основе // ФММ. 1990. № 5. С. 108–115.
  11. Song S.G., Gray G.T. III Microscopic and crystallographic aspects of retained omega phase in shock-loaded zirconium and its formation mechanism // Phil. Mag. A. 1995. V. 71. № 1. P. 275–290.
  12. Козлов Е.А., Литвинов Б.В., Абакшин Е.А., Добромыслов А.В., Талуц Н.И., Казанцева Н.В., Талуц Г.Г. Фазовые превращения и изменение структуры циркония при воздействии сферических ударных волн // ФММ. 1995. Т. 79. Вып. 6. С. 113–127.
  13. Clauer A.H. Laser shock peening for fatigue resistance / In: Gregory JK, Rack HJ, Eylon D, editors. Surface performance of titanium. Warrendale (PA): TMS, 1996. Р. 217–230.
  14. Колобов Ю.Р., Манохин С.С., Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В., Одинцова Г.В., Храмов Г.В. Исследование влияния обработки лазерными импульсами наносекундной длительности на микроструктуру и сопротивление усталости технически чистого титана // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. № 2. P. 15–19. https:// doi.org/10.21883/PJTF.2022.02.51913.19025
  15. Song Shu, Yizhou Shen, Zonghui Cheng, Weibiao Xiong, Zhaoru He, Shuangshuang Song, Weilan Liu. Laser shock peening regulating residual stress for fatigue life extension of 30CrMnSiNi2A high-strength steel // Optics & Laser Technology. 2024. V. 169. Р. 110094. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110094
  16. Banas G., Elsayed-Ali H.E., Lawrence F.V., Rigsbee J.M. Lasershock-induced mechanical and microstructural modification of welded maraging steel // J. Appl. Phys. 1990. V. 67. P. 2380–2384. https:// doi.org/10.1063/1.345534
  17. Zhou L., Li Y.H., He W.F., Wang X.D., Li Q.P. Laser Shock Processing of Ni-Base Superalloy and High Cycle Fatigue Properties // Mater. Sci. Forum. 2011. V. 697–698. P. 235–238.
  18. Zhang Hong, Yu Chengye. Laser shock processing of 2024-T62 aluminum alloy // Mater. Sci. Eng. A. 1998. V. 257. № 2. P. 322–327.
  19. Montross C.S., Florea V., Swain M.V. Influence of coatings on sub-surface mechanical properties of laser peened 2011-T3 aluminum // J. Mater. Sci. 2001. V. 36. P. 1801–1807.
  20. Kamkarrad H., Narayanswamy S., Tao X.S. Feasibility study of high-repetition rate laser shock peening of biodegradable magnesium alloys // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2014. V. 74. Р. 1237–1245.
  21. Li Zh.Y., Guo X.W., Yu Sh.J., Ning Ch.M., Jiao Y.J., Cai Zh.B. Influence of laser shock peening on surface characteristics and corrosion behavior of zirconium alloy // Mater. Characteriz. 2023. V. 206. P. 113387.
  22. Ruschau J.J., John R., Thompson S.R., Nicholas T. Fatigue crack nucleation and growth rate behaviour of laser shock peened titanium // Int. J. Fatigue. 1999. V. 21. P. S199–S209. https:// doi.org/10.1016/S0142–1123(99)00072–9
  23. Hatamleh O. A comprehensive investigation on the effects of laser and shot peening on fatigue crack growth in friction stir welded AA 2195 joints // Int. J. Fatigue. 2009. V. 31. P. 974–988.
  24. Черняева Т.П., Грицина В.М. Характеристики ГПУ-металлов, определяющие их поведение при механическом, термическом и радиационном воздействии // Вопр. атомной науки и техники. 2008. № 2. С. 15–27.
  25. Lobanov M.L., Yarkov V. Yu., Pastukhov V.I. The Effect of Cooling Rate on Crystallographic Features of Phase Transformations in Zr-2.5Nb // Materials. 2023. V. 16. P. 1–14.
  26. Хлебникова Ю.В., Сазонова В.А., Родионов Д.П., Вильданова Н.Ф., Егорова Л.Ю., Калетина Ю.В., Солодова И.Л., Умова В.М. Формирование макро- и микроструктуры при превращении в монокристаллах циркония // ФММ. 2009. Т. 108. № 3. С. 267–275.
  27. Добромыслов А.В. Влияние d-металлов на температуру полиморфного и (моно) эвтектоидного превращения в бинарных сплавах титана, циркония и гафния // ФММ. 2020. Т. 121. С. 516–172.
  28. Хлебникова Ю.В., Родионов Д.П., Егорова Л.Ю., Суаридзе Т.Р. Кристаллографические особенности структуры α-фазы гафния и сплавов гафний–титан // Журнал технич. физики. 2019. Т. 89. № 1. С. 86–98. https:// doi.org/10.21883/JTF.2019.01.46968.86–18
  29. Tang J., Yang H., Qian B., Zheng Y. TWIP-assisted Zr alloys for medical applications: Design strategy, mechanical properties and first biocompatibility assessment // J. Mater. Techn. 2023. V. 184. P. 32–42.
  30. Mehjabeen A., Song T., Xu W., Tang H.P., Qian M. Zirconium Alloys for Orthopaedic and Dental Applications // Adv. Eng. Mater. 2018. V. 20. P. 63–69.
  31. Petrova A.N., Brodova I.G., Astafiev V.V., Rasposienko D.Y., Kuryshev A.O., Balakhnin A.N., Uvarov S.V., Naimark O.B. Surface modification of the Zr–Nb alloy by nanosecond pulse laser processing // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. P. 625–633.
  32. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 2001. 570 с.
  33. Jamieson J.C. Crystal structure of titanium, zirconium, and hafnium at high pressure // Science. 1963. V. 140. № 3562. P. 72–73.
  34. Hatt B.A., Roberts J.A. The w-phase in zirconium base alloys // Acta Met. 1960. V. 8. № 8. P. 575–584.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Results of the EBSD analysis of the structure of the initial sample: a — orientation map; b — histogram of the distribution of mutual misorientations of grains and subgrains; c — grain size distribution [31].

Download (779KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The microstructure of the initial sample (TEM): a is a light—field image with a microelectronogram; b is a dark—field image in the β-phase reflex.

Download (225KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Results of the EBSD analysis of the sample surface structure after laser treatment: a — orientation map; b — grain size distribution; c — histogram of the distribution of mutual misorientations of grains and subgrains.

Download (648KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Profiles of disorientation of structural elements along the selected directions 1, 2, 3 on the orientation map.

Download (292KB)
Indexing metadata
6. 5. The fine structure of martensite in a micropackage: a is a light—field image with a microelectronogram; b is a dark–field image obtained in the (100) α` reflex (indicated by the arrow on the microelectronogram).

Download (217KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Fine structure of martensite in neighboring micropackages; a — light—field image; b, c - dark-field images obtained in reflexes: b — TP1 (002)α`; b — TP2 (201)ω; r is a microelectronogram.

Download (555KB)
Indexing metadata
8. 7. Section of the diffractogram of the initial (1) and laser-treated (2) samples. The strokes show the tabular values of the reflection angles from the planes α(α`) — ▲, and ω-phases — ■.

Download (119KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Fine structure of equiaxed α-Zr grains: a — light—field image; b - dark-field image obtained in reflex (100)α (indicated by the arrow on 8b); b is a microelectronogram.

Download (268KB)
Indexing metadata