Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники

Рассмотрены и обобщены экспериментальные результаты по созданию градиентных коррозионно-стойких структурно-фазовых состояний (СФС) в материалах и оболочках твэлов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Для изменения СФС поверхностного слоя сложнолегированных материалов, например, стали оболочек...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автори:	Калин, Б.А., Волков, Н.В., Якушин, В.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2007
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110665
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники/ Б.А. Калин, Н.В. Волков, В.Л. Якушин // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 2. — С. 164-171. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-110665
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1106652017-01-06T03:03:39Z Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники Калин, Б.А. Волков, Н.В. Якушин, В.Л. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Рассмотрены и обобщены экспериментальные результаты по созданию градиентных коррозионно-стойких структурно-фазовых состояний (СФС) в материалах и оболочках твэлов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Для изменения СФС поверхностного слоя сложнолегированных материалов, например, стали оболочек твэлов, эффективным является воздействие потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП), позволяющее проводить сверхбыструю закалку, в том числе из жидкого состояния, и жидкофазное легирование, что позволило повысить коррозионную стойкость ферритно-мартенситной стали в жидком свинце. Применительно к сплавам циркония (Э110 и Э635) представлены новые результаты по СФС, созданным методом «ионного перемешивания». Повышение коррозионной стойкости сплавов циркония в пароводяной среде (350...400 ºС, 16 МПа) достигнуто вследствие изменения механизма роста оксидной пленки. Розглянуто й узагальнені експериментальні результати по створенню градиентных коррозійно-стійких структурно-фазових станів (СФС) у матеріалах і оболонках твэлов реакторів на теплових і швидких нейтронах. Для зміни СФС поверхневого шару сложнолегованих матеріалів, наприклад стали оболонок твэлов, ефективним є вплив потоками високотемпературної імпульсної плазми (ВТИП), що дозволяє проводити найшвидке загартування, у тому числі з рідкого стану, і жидкофазне легування, що дозволило підвищити корозійну стійкість феритно-мартенситної сталі в рідкому свинці. Стосовно до сплавів цирконію (Э110 та Э635) представлені нові результати по СФС, створеним методом "іонного перемішування". Підвищення корозійної стійкості сплавів циркония в пароводяному середовищі (350...400 ºС, 16 МПа) досягнуто внаслідок зміни механізму росту оксидної плівки. The experimental results on the formation of gradient corrosion-resistant structural-phase states (SPhS) in materials and fuel claddings of thermal and fast-breeder reactors have been considered and summarized. The action by high-temperature pulsed plasma flows (HTPPF) is effective for changing the SPhS of a surface layer of materials with complex composition, for example, the steel of fuel claddings. It makes it possible to perform ultraspeed hardening, including that from a liquid state, and liquid-phase alloying, what allowed to increase the corrosion resistance of a ferritic-martensitic steel in liquid lead. As applied to E110 and E635 zirconium alloys, new results on the SPhS formed by the method of “ion mixing” have been presented. An increase in the corrosion resistance of the zirconium alloys in a water-steam environment (350…400 ºC, 16MPa) has been attained owing to a change in the oxide film growth mechanism. 2007 Article Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники/ Б.А. Калин, Н.В. Волков, В.Л. Якушин // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 2. — С. 164-171. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110665 621.039.6 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
spellingShingle	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Калин, Б.А. Волков, Н.В. Якушин, В.Л. Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники Вопросы атомной науки и техники
description	Рассмотрены и обобщены экспериментальные результаты по созданию градиентных коррозионно-стойких структурно-фазовых состояний (СФС) в материалах и оболочках твэлов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Для изменения СФС поверхностного слоя сложнолегированных материалов, например, стали оболочек твэлов, эффективным является воздействие потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП), позволяющее проводить сверхбыструю закалку, в том числе из жидкого состояния, и жидкофазное легирование, что позволило повысить коррозионную стойкость ферритно-мартенситной стали в жидком свинце. Применительно к сплавам циркония (Э110 и Э635) представлены новые результаты по СФС, созданным методом «ионного перемешивания». Повышение коррозионной стойкости сплавов циркония в пароводяной среде (350...400 ºС, 16 МПа) достигнуто вследствие изменения механизма роста оксидной пленки.
format	Article
author	Калин, Б.А. Волков, Н.В. Якушин, В.Л.
author_facet	Калин, Б.А. Волков, Н.В. Якушин, В.Л.
author_sort	Калин, Б.А.
title	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники
title_short	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники
title_full	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники
title_fullStr	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники
title_full_unstemmed	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники
title_sort	радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110665
citation_txt	Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники/ Б.А. Калин, Н.В. Волков, В.Л. Якушин // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 2. — С. 164-171. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT kalinba radiacionnopučkovoevozdejstviemetodsozdaniâgradientnogostrukturnofazovogosostoâniâvmaterialahatomnojtehniki AT volkovnv radiacionnopučkovoevozdejstviemetodsozdaniâgradientnogostrukturnofazovogosostoâniâvmaterialahatomnojtehniki AT âkušinvl radiacionnopučkovoevozdejstviemetodsozdaniâgradientnogostrukturnofazovogosostoâniâvmaterialahatomnojtehniki
first_indexed	2025-07-08T00:57:18Z
last_indexed	2025-07-08T00:57:18Z
_version_	1837038295162290176
fulltext	РАЗДЕЛ ЧЕТВЁРТЫЙ ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УДК 621.039.6 РАДИАЦИОННО-ПУЧКОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ – МЕТОД СОЗДАНИЯ ГРАДИЕНТНОГО СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ В МАТЕРИАЛАХ АТОМНОЙ ТЕХНИКИ Б.А. Калин, Н.В. Волков, В.Л. Якушин Московский инженерно-физический институт (государственный университет) г. Москва, Россия; E-mail:bakalin@mephi.ru; тел.(7-495)-323-9267, факс (7-495)-324-3165 Рассмотрены и обобщены экспериментальные результаты по созданию градиентных коррозионно-стой- ких структурно-фазовых состояний (СФС) в материалах и оболочках твэлов реакторов на тепловых и бы- стрых нейтронах. Для изменения СФС поверхностного слоя сложнолегированных материалов, например, стали оболочек твэлов, эффективным является воздействие потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП), позволяющее проводить сверхбыструю закалку, в том числе из жидкого состояния, и жид- кофазное легирование, что позволило повысить коррозионную стойкость ферритно-мартенситной стали в жидком свинце. Применительно к сплавам циркония (Э110 и Э635) представлены новые результаты по СФС, созданным методом «ионного перемешивания». Повышение коррозионной стойкости сплавов цирко- ния в пароводяной среде (350...400 оС, 16 МПа) достигнуто вследствие изменения механизма роста оксидной пленки. 1. ВВЕДЕНИЕ Свойства и эксплуатационные характеристики определяются СФС конструкционных материалов. Многие энергонапряженные изделия, например атомной техники, эксплуатируются в достаточно жестких условиях, и поэтому к материалам предъявляются настолько разнообразные требования к свойствам, что для их обеспечения материал должен иметь различные СФС в объеме и в приповерхностном слое [1]. Например, объемное СФС определяет длительную прочность и сопротивление ползучести, радиационную стойкость (распухание, охрупчивание), трещиностойкость и сопротивление разрушению под действием постоянной нагрузки и усталости, усталости в условиях ползучести и в условиях водородного охрупчивания. Эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, к числу которых относятся коррозионная и эрозионная стойкость, сопротивление разрушению, трению и износу, трещиностойкость в условиях коррозионной усталости, фреттинг-коррозии и водородном охрупчивании и ряд других, определяются СФС приповерхностных слоев [1, 2]. Например, зарождение разрушения на поверхно- сти обусловлено, по крайней мере, двумя фактора- ми. С одной стороны, наличие дефектов поверхно- сти способствует (облегчает) зарождению трещин. С другой стороны, поверхность обычно оказывается наиболее нагруженной по сравнению с объемом де- талей, причем не редки случаи, когда возникающие в поверхностном слое напряжения превышают пре- дельные уровни. Для повышения сопротивления износу и уста- лостному разрушению (в условиях циклического на- гружения) необходимо иметь прочную поверхность и вязкую сердцевину детали, т.е. иметь многозонную структуру [2]. Материал детали с изменяющимся по сечению СФС можно считать градиентным или многозон- ным. Создание таких состояний осуществляется раз- личными методами обработки (модифицирования) поверхности. В этой связи в настоящей работе внимание уде- лено рассмотрению перспективных методов моди- фицирования структурно-фазового состояния в при- поверхностных слоях тонкостенных изделий, в том числе на примере оболочек твэлов из сплавов цир- кония для реакторов на тепловых нейтронах и кор- розионно-стойких сталей для реакторов на быстрых нейтронах. 2. ВЫБОР РАДИАЦИОННО-ПУЧКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Среди широкого круга технологий модифицирования (обработки) поверхности материалов все большее значение играют радиационно-пучковые технологии (РПТ). В отличие от традиционных технологий обработки поверхности материалов в машиностроении (термомеханическая, химико-термическая, _________________________________________________________________________________ 164 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. mailto:kalin@phm.mephi.ru химическая и электрохимическая) РПТ имеют свою специфику и особенности, а в ряде случаев вытесняют традиционные технологии модифицирования приповерхностных слоев вследствие более высокой эффективности, экологической чистоты и уникальности получаемых результатов. РПТ являются менее энергоемкими, так как обработке подвергается только узкий приповерхностный слой материала или изделия [3]. Модифицирующее действие РПТ осуществляет- ся в результате целого ряда физических процессов: имплантации атомов (ионов) в материал; осаждения и ионного перемешивания атомов в поверхностном слое; быстрого нагрева и охлаждения поверхностно- го слоя; распыления или испарения атомов поверх- ностного слоя; плазмообразования на поверхности мишени; химического взаимодействия атомов ми- шени со средой или бомбардирующими частицами; осаждения атомов или молекул на поверхности с ре- гулированием эпитаксии; термической и радиацион- но-стимулированной диффузии различных атомов; термических и структурных напряжений; ударно- волнового воздействия вследствие газодинамиче- ского разлета плазмы и пара с поверхности материа- ла [3, 4]. При радиационном модифицировании происходят различные структурно-фазовые изменения, определяемые параметрами воздействия. К числу наиболее заметных структурных и фазовых изменений в материалах следует отнести: увеличение параметра кристаллической решетки; разворот плоскостей упаковки атомов; образование аморфной и ультрадисперсной (наноструктурной) фаз; диспергирование микроструктуры; растворение и образование радиационно-стимулированных и радиационно-индуцированных фаз; расслоение твердых растворов, упорядочение; массоперенос в приповерхностном слое и в объеме; создание пересыщенных твердых растворов; изменение магнитного состояния сплавов; радиационно- индуцированную сегрегацию; образование слоистых структур; формирование дислокационно- дисклинационных субструктур; образование градиентных структурно-фазовых состояний и др.[3 ]. Для обработки оболочек твэлов в работе выбра- ны технологии ионного перемешивания для цирко- ниевых сплавов [5, 7, 8] и обработки потоками высо- котемпературной импульсной плазмы (ВТИП) для стальных оболочек [6, 9]. 3. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЦИРКОНИЕВЫХ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ Оболочки твэлов и другие изделия ТВС ТР из отечественных сплавов Э110 и Э635 обеспечивают проектные выгорания топлива. Однако повышение выгорания топлива, например, в ВВЭР до 70 (МВт·сут)/(кГ U) и увеличение длительности эксплуатации топлива до 5-7 лет и более, а также повышение рабочей температуры теплоносителя требуют повышения коррозионной и износостойкости существующих циркониевых изделий ТВС. Для этого наиболее подходящим является легирование поверхностного слоя в условиях ионного перемешивания при использовании полиэнергетического пучка ионов. При бомбардировке полиэнергетическим пучком ионов аргона формируется более равномерное (растянутое в глубину) распределение внедренных атомов в мишени с меньшим уровнем радиационных дефектов по сравнению с моноэнергетическим пучком при одинаковых средних энергиях ионов. В качестве основного критерия эффективности обработки выбрана коррозионная стойкость в пароводяной среде при температуре 350…400 оС и давлении 16 МПа. Основой модифицирования является легирова- ние поверхностного слоя атомами из пленки, пред- варительно нанесенной термическим испарением на поверхность сплавов. Собственно легирование осу- ществляется в процессе облучения многослойной пленки (Al+Fe+Mo+Y) общей толщиной 100...120 нм ионами Ar+ со средней энергией 10 кэВ на ускорителе ВОКАЛ. В процессе облучения часть атомов пленки распыляется, а другая часть внедря- ется по механизму ядер отдачи в подложку. В ре- зультате поверхностный слой обогащается атомами пленки, распределение которых в поверхностном слое, полученное методом резерфордовского обрат- ного рассеяния (РОР), имеет куполообразную форму с максимумом на глубине 10...30 нм (рис. 1) [5]. Максимальная глубина проникновения атомов пленки в подложку Xm при фиксированной дозе об- лучения и энерговыделении зависит от приведенной массы, энергии ионов, переданной атомами отдачи и разности электроотрицательности атомов пленки и подложки. 165 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. Рис. 1. Распределение внедренных атомов В поверхностном слое сплава Э110 наряду с ато- мами легирующих элементов обнаружены интерме- таллиды циркония с легирующими элементами типа Zr3Al, ZrFe2, Zr(FeNb), ZrCr2, ZrMo2. В сплаве Э635 – фазы типа Zr3Al и ZrFe2. В процессе ионного перемешивания уменьшается плотность исходных выделений в сплавах в 1,5-2 раза вследствие растворения наиболее мелких выделений. Оценки показали, что 30...50% атомов из выделений переходит в твердый раствор. Сами выделения на поверхности исходных циркониевых сплавов оказывают заметное влияние на структуру оксидных пленок: в зоне выделения растущая оксидная пленка имеет кольцевое строение, что делает её рост неравномерным и с дефектами. Поэтому уменьшение плотности выделений в процессе легирования положительно сказывается на коррозионной стойкости сплавов циркония, так как оксидная пленка становится более однородной. Коррозионные испытания на временной базе от 300 до 5000 ч показали, что в начальный период окисления (до 1200 ч) модифицированные сплавы окисляются более интенсивно (рис. 2). Это связано с тем, что модифицированная поверхность активиро- вана облучением, т.е. поверхностные атомы облада- ют избытком свободной энергии, и в поверхностном слое создается градиент сжимающих напряжений, «втягивающий» атомы кислорода в глубь мишени. На этом этапе формируется достаточно однородная квазимонокристаллическая (квазиаморфная) пленка с достаточно ровной поверхностью раздела «оксид- металл». В процессе роста пленки внедренные леги- рующие элементы, особенно атомы железа, оттесня- ются из оксида в глубь мишени. После исчерпания избытка свободной энергии и релаксации внутренних напряжений скорость роста пленки (рис. 3) заметно замедляется, при этом формируется мелкокристаллический оксид. Тормозящую роль с изменением механизма роста оксида оказывают внедренные атомы в условиях пониженного стимула к росту пленки. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Время окисления, часы То лщ ин а, н м E110 Initial E635 Initial Zr100 Initial E110 AlY E110 AlFeMo E635 AlFeMo E635 AlFeSn x=c+at̂ 0,3 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Время окисления, часы То лщ ин а, н м E110 Initial E635 Initial Zr100 Initial E110 AlY E110 AlFeMo E635 AlFeMo E635 AlFeSn Рис. 2. Кинетика окисления циркония и сплавов Э110 и Э635 в исходном состоянии в цирконии Рис. 3. Кинетика роста оксидной пленки на модифицированных цирконии и сплавах Механизм формирования мелкокристаллического оксида состоит в образовании кристаллитов оксида, из которых внедренные атомы вытесняются на периферию, где эти атомы замедляют диффузию кислорода и тормозят рост кристаллитов. Определенную тормозящую роль оказывают атомы алюминия и иттрия, обладающие большим сродством к кислороду. Таким образом, на модифицированных образцах циркония и его сплавах, имеющих в зоне окисления градиентное распределение легирующих элементов, формируется двухслойная оксидная пленка с замедленной скоростью роста на второй стадии. 4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОТОКАМИ ВТИП СТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Среди наиболее важных задач по обеспечению работоспособности твэлов БР важное место занима- ют повышение коррозионной стойкости оболочек в теплоносителе, например в свинце, и в процессе хранения в бассейнах выдержки [1]. Коррозионное поведение аустенитных и ферритно-мартенситных сталей зависит от структурно-фазовой однородности сталей, наличия сегрегаций легирующих и примес- ных элементов в приповерхностных слоях и на гра- ницах зерен. В связи с этим определенный интерес представляет модифицирование СФС и устранение сегрегаций и частиц второй фазы в приповерхност- ных слоях. 166 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. Проведенные нами ранее исследования модифи- цирования серии малолегированных сталей (Ст3, Ст 20, 25Х1МФ, 35Х, 38Х2МЮА, и др.) и армко-же- леза показали, что в результате обработки потоками ВТИП в поверхностном слое (10...20 мкм) на основе исходного феррита формируется двухфазное мар- тенситно-аустенитное градиентное СФС с соотно- шением фаз, зависящих от вида плазмы, её плотно- сти, плотности потока энергии и числа импульсов. Было отмечено, что доля остаточного аустенита воз- растала по мере усложнения состава стали. При этом наблюдается диспергирование микрострукту- ры и увеличение внутренних напряжений. Поверхностное легирование армко-железа и Ст3 по методу жидкофазного перемешивания компонен- тов проводили путем предварительного нанесения слоя легирующих элементов, используемых при со- здании сложнолегированных сталей: никель, хром, ванадий, титан. Легирующие элементы наносили на подложки различными методами: гальваническим осаждением (ГО) – никель, хром; термическим напылением (ТН) – титан, никель, ванадий; конден- сацией с ионной бомбардировкой (КИБ) – титан. По разности масс рассчитывали толщину нанесенного слоя легирующего элемента, которая в зависимости от условий, способа нанесения и вида материала из- менялась от 0,2 до 4,6 мкм (табл. 1). Подложки с на- несенными покрытиями подвергались промежуточ- ному диффузионному отжигу в атмосфере аргона при температуре 1000 ºС в течение 3 ч. Таблица 1 Основные характеристики исследованных мишеней для поверхностного легирования Материал основы Легирующий элемент Способ нанесения покрытия Толщина нанесенного слоя, мкм Сталь Ст3 Ni Cr Cr Ni ГО ГО ТН ТН 1,7...4,3 0,6...4,6 0,2...0,35 0,5...0,6 Армко-железо V Ti Ti ТН ТН КИБ 0,85...0,9 0,2...0,3 1,0...2,3 Интервал толщин нанесенного слоя покрытия для разных образцов Обработка мишеней осуществлялась потоками гелиевой плазмы с удельной мощностью падающего потока, изменяющейся в интервале Q = (1...6)·106 Вт/см2, при длительности импульса ~15 мкс и числе импульсов N равном 10. Следует от- метить, что использованные значения Q существен- но выше величин критических удельных мощностей 1 cQ , необходимых для плавления выбранных леги- рующих элементов. Воздействие потоками ВТИП приводило к плав- лению приповерхностных слоев, а последующее бы- строе охлаждение (106 К/с) – к модифицированию их микроструктуры и образованию на поверхности развитого рельефа в виде застывших волн расплава. Определенная с помощью косых шлифов толщи- на структурно-модифицированного слоя составляет около 25 мкм, что хорошо совпадает с рассчитанны- ми значениями глубины плавления. В общем толщи- на модифицированного слоя зависит от условий об- лучения (удельной мощности падающего потока ВТИП) и вида легирующего элемента и в большинстве случаев превышает соответствующие значения толщин нанесенных покрытий в несколько раз. Приповерхностный модифицированный слой имеет субмикрокристаллическую (нанокристалличе- скую) ячеистую структуру со средним размером ячеек 0,1…1,0 мкм в зависимости от вида материала и условий облучения. Распределение элементов по глубине мишени ис- следовали на косых шлифах методом оже-спек- трального микроанализа по линии и рентгено спектрального микроанализа (РСМА) на приборе «Камебакс» с использованием характеристического рентгеновского излучения. Для РСМА предел обна- ружения по концентрации легирующих элементов ограничивался существующим непрерывным фоно- вым излучением и составлял в наших исследованиях 0,01 ат.%. На рис. 4 приведены типичный оже-спектр с по- верхности образца из стали Ст3, легированной нике- лем (ZЛЭ= 1,7 мкм), и профиль распределения никеля по глубине после обработки мишени потоками ВТИП (Q = 2·106 Вт/см2, N = 10). 167 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. а б Рис. 4. Оже-спектр с поверхности образца из стали Ст3, легированной никелем (а), и профиль распределения никеля по глубине (б) после жидкофазного легирования потоками ВТИП (х – расстояние по косому шлифу; z – расстояние от поверхности); (Q = 2·106 Вт/см2, N = 10) Как видно на рис. 4,а, воздействие потоками ге- лиевой ВТИП приводит к перемешиванию элемен- тов в приповерхностных слоях, что проявляется в появлении на поверхности железа, а также следов углерода и азота, имеющихся в подложке из Ст3. Основные количественные результаты по распреде- лению легирующих элементов по глубине и их мак- симальная концентрация в приповерхностном слое, полученные на основе данных РСМА, приведены в табл. 2. Таблица 2 Основные характеристики поверхностно-легированных слоев Легирующий элемент Способ нанесения покрытия Толщина нанесенного слоя, мкм Максимальная концентрация легирующего элемента, мас.% Глубина проникновения элемента, мкм Никель ГО 1,7 10...12 47,5 4,3 18...20 28,0 Хром ТН 0,2 1...2 18,2 ГО 0,65 5...6 34,1 Титан ТН 0,2 2 8,5 0,3 0,5...0,7 24,3 Ванадий ТН 0,85 3...4 34,0 0,9 2 28,1 Анализ полученных результатов показал (см. табл. 2), что глубины проникновения легирующих элементов (до ~ 45 мкм) значительно превосходят толщины нанесенных различными способами по- крытий, а также структурно-модифицированных плазменной обработкой слоев. При этом наблюдает- ся заметное перемешивание элементов подложки (основного металла) и покрытия и достаточно одно- родное распределение легирующих элементов по глубине модифицированного слоя. В качестве возможных основных механизмов перемешивания в расплаве, как правило, рассматри- вают конвекцию, вызванную силами поверхностно- го натяжения (термокапиллярная или концентраци- онно–капиллярная конвекции) и конвекцию под действием давления паров отдачи на поверхность ванны расплава, которая для использованных усло- вий обработки из-за коротких длительностей им- пульсов и относительно невысоких Q, по-видимому, менее значительна. Кроме того, вследствие большо- го градиента температуры, возникающего при им- пульсном нагреве, наличия градиента концентрации легирующих частиц, а также действия облучения будет увеличиваться скорость радиационно-индуци- рованной диффузии в твердой фазе. Проведенный качественный рентгеновский фазо- вый анализ (РФА) показал, что в случае обработки мишеней с предварительно нанесенными покрытия- ми из ванадия или титана переплав, вызванный об- лучением, не приводит к образованию новых фаз и в рентгеновском спектре присутствуют только линии α-Fе и Тi или V. В случае же воздействия потоками ВТИП на образцы с покрытиями из никеля или хро- ма переплав приповерхностных слоев приводит к образованию на глубинах до 10 мкм твердого раствора γ-Fе (аустенита). При этом также присут- ствует фаза α-Fе. На основании отношения интегральных интен- сивностей рентгеновских линий (110) α-Fе и (002) γ-Fе было установлено, что содержание аустенита в приповерхностных слоях изменяется в интервале от 30 до 53% в зависимости от исходной толщины слоя нанесенного покрытия и параметров потоков ВТИП. При этом отмечено соответствие между максималь- ной концентрацией введенных легирующих элемен- тов и содержанием γ-фазы. Следует отметить, что наличие остаточного аустенита в количестве 168 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. 1,5...10% также наблюдалось [6] при обработке по- токами гелиевой плазмы в жестком режиме (Q ≥ 6.106 Вт/см2) образцов из армко-железа без покры- тия, низколегированных и хромоникелевых сталей. Было установлено [6, 9], что жидкофазное леги- рование приводит к существенному упрочнению приповерхностных слоев. В частности, микро- твердость образцов из Ст3 увеличивается до 1700...2500 МПа в зависимости от типа легирующе- го элемента и условий легирования, что в 2,4-3,4 раза превышает Нµ исходной стали, и в 1,5-2,0 раза модифицированной только плазменной обработкой в аналогичных легированию условиях облучения потоками ВТИП. Поверхностное легирование тонкостенных труб оболочек твэлов из хромистой ферритно-мар- тенситной стали 16Х12МВСБФР (ЭП823) проведено на образцах диаметром 10,5 и длиной 50 мм с целью повышения коррозионной стойкости. Данная сталь рассматривается как перспективный материал для оболочек твэлов реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Методика поверхностного жидкофазного легиро- вания включает следующие этапы: предварительная очистка поверхности труб воздействием потоков ВТИП в «мягких» условиях; нанесение тонких одно- родных слоев легирующих элементов на внешнюю поверхность отрезков трубы (методом термического испарительного осаждения в вакууме (p ~ 10−3 Па) химически чистого (99,99 %) алюминия, йодидного хрома и сплава на основе силумина (мас. %): Al – 12% Si – 0,7% Cr – 0,25% Mo; промежуточный от- жиг в вакууме в течение 3 ч при температурах 500 и 600 °С для диффузионного сцепления покрытия с подложкой и повышения его адгезии; жидкофазное перемешивание нанесенного легирующего элемента с материалом приповерхностных слоев трубки при воздействии потоков импульсной гелиевой плазмы. Основные характеристики покрытий и условия поверхностного легирования (плазменной обра- ботки) трубчатых образцов приведены в табл. 3. Топография поверхностно-легированных образ- цов после жидкофазного легирования зависит от типа и толщины нанесенной пленки и режимов плазменной обработки. Образцы с покрытием из алюминия и силумина имели относительно гладкую поверхность с «волнами» и отдельными каплями (обогащенными металлом покрытия) расплава. Раз- меры образующихся капель изменяются в интервале от 0,6 до 5,4 мкм с наиболее вероятным диаметром ∼ 1,8 мкм при плотности ∼ 2,5.105 см−2. Таблица 3 Характеристики нанесенных покрытий и условия поверхностного легирования Марка образца Покрытие Условия плазменной обработки Материал Толщина, мкм q∑, Дж/см2 N, ед Х1 Х3 Х2, Х4 Х5 Х6 Х7 хром 0,6 292 4 0,6 246 5 0,3 330 6 0,9 475 7 0,4 397 6 0,6 279 4 А1 А2_2 А3_2 А10 А11 А12 алюминий 0,7 227 4 0,6 +0,4 509 9 0,2+0,7 675 12 0,4 240 5 0,5 449 8 0,6 449 8 С5 С6 С7 С8 С13, С14 силумин 1,3 1368 21 0,7 445 6 0,5 183 3 1,1 1473 21 0,4 448 8 Образцы, легированные хромом, имели более ярко выраженный рельеф. При «жестких» режимах плазменного перемешивания обнаружено образова- ние приповерхностных микротрещин, располагаю- щихся перпендикулярно поверхности (рис. 5,г). 169 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. . а в б г Рис. 5. Микроструктуры поперечного шлифа трубок поверхностно-легированных силумином (а–в) и хромом (г): а, г – в отраженных электронах; б – в излучении железа; в – в излучении алюминия Результаты химического состава поверхности и распределения элементов по глубине, полученные методом РСМА, приведены на рис. 5, 6 и в табл. 4. Было установлено, что легирующие элементы доста- точно равномерно распределяются в приповерхност- ном слое толщиной, более чем на порядок величины превышающей толщину нанесенного покрытия. В частности, алюминий при толщине предварительно нанесенного покрытия ~ 0,4 мкм обнаружен в при- поверхностном слое глубиной до ∼ 15 мкм, при этом его средняя концентрация состав- ляет около 3 мас. % (рис. 6). Рис. 6. Распределение элементов по глубине мишенив поверхностно-легированной трубке (образец С13) Распределение хрома по поверхности легирован- ных трубок более равномерно и его содержание до- стигает 15,0...16,5 мас. % при объемной концентра- ции около 10 мас. % (табл. 4). Повышенное содер- жание хрома обнаружено в приповерхностных слоях толщиной до ~10 мкм. Рентгеновский структурно-фазовый анализ пока- зал, что поверхностно-легированные стали пред- ставляют собой твердые растворы, в которых отсут- ствуют интерметаллидные фазы [9]. В результате жидкофазного легирования воздействием потоками гелиевой плазмы с удельной мощностью потока в интервале (1...6).106 Вт/см2 при длительности им- пульса до 20 мкс значительно возрастает микро- твердость и установлено заметное (на порядок) уве- личение коррозионной стойкости стали в потоке свинца при температуре 650 оС за время 1680 ч [10]. Если на стали в исходном состоянии оксидная пленка имела толщины 9...18 мкм, то на стали, леги- рованной атомами алюминия, оксидная пленка не превышала 1...3 мкм, а легированная силумином – 2...5 мкм, легированная хромом – 3...5 мкм. Важным результатом воздействия ВТИП на конструкционные материалы является повышение прочностных характеристик при сохранении пла- стичности обработанных образцов. Как показал В.Е. Панин [11], поверхностный слой – это особое состояние вещества, важная функ- 170 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. циональная подсистема в деформируемом твердом теле. Таблица 4 Элементный состав поверхностно-легированных труб Марка образца Содержание основных элементов, мас. % Cr Si Mo W V Nb Al Э0 11,2 1,0 0,6 0,6 0,4 0,3 0,0 А3_2 10,5 0,6 0,6 0,4 0,4 0,3 13,0 А3_2* 4,9 0,2 0,5 0,1 0,3 0,1 73,5 С13 12,4 1,5 0,7 − 0,4 − 2,3 С13*) 7,9 0,9 0,2 − 0,3 − 42,2 Х4 15,7 0,9 0,6 0,3 0,4 0,2 0,0 ) Обозначения соответствуют табл. 3; ** содержание элементов в каплевидных образованиях на поверхности. Рис. 7. Схема модифицированного образца: 1 – модифицированный слой; 2 – плоскость скольжения; 3 – матрица При модифицировании поверхностного слоя до неравновесного и самостоятельного структурного состояния от матрицы, достаточно упрочненного и имеющего волнистую границу раздела с матрицей, действительно создаются условия для управления пластическим течением в материале (рис. 7). Каж- дый изгиб границы раздела «модифицированный слой 1-матрица 3» – это концентратор напряжений, генерирующий при деформации дислокации (2), уходящие в глубь матрицы. Таким образом, поверх- ностный слой оказывает влияние на макрохаракте- ристики материала, причем такая система не допус- кает локализацию макронапряжений и деформации и может позволить увеличить и прочность, и отно- сительное удлинение. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разработаны основы радиационно-пучкового формирования градиентного структурно-фазового состояния в различных материалах и тонкостенных изделях на примере оболочек твэлов ядерных реак- торов, придающие им повышенное сопротивление коррозии. При облучении циркониевых оболочек твэлов ТР полиэнергетическими пучками ионов Ar+ в режиме ионного перемешивания атомов Al+Fe+Mo+Y с мат- рицей создается СФС, тормозящее окисление в паро- водяной среде вследствие изменения механизма роста оксидного слоя. Показана возможность целенаправленного поверх- ностного легирования металлических материалов при воздействии потоками высокотемпературной импульс- ной плазмы методом жидкофазного перемешивания предварительно нанесенных элементов. Установлено, что воздействие потоками ВТИП с удельной мощностью потока в интервале (1...6).106 Вт/см2 при длительности импульса до 20 мкс позволяет проводить легирование низкоуглеродистых сталей на глубины до 20...45 мкм с концентрацией вво- димого элемента до 20 мас.% в зависимости от типа и толщины предварительно нанесенного слоя легирую- щего элемента и удельной мощности падающего пото- ка. При воздействии потоками высокотемпературной импульсной плазмы, реализуя жидкофазное легирова- ние ферритно-мартенситной стали ЭП823 атомами Al, Al+Si и Cr в режиме сверхбыстрой закалки (105 К/с), повышена на порядок коррозионная стойкость стали в потоке свинца при температуре 650 оС. При жидкофазном легировании наблюдается суще- ственное упрочнение приповерхностных слоев, и ми- кротвердость поверхностно-легированной стали марки Ст3 может достигать 2500 МПа, что более чем в 3 раза превышает Нµ исходной стали и в 2 раза стали, моди- фицированной потоками ВТИП без легирования, а также соответствующие значения для сложнолегиро- ванных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса типа Х18Н10 и Х16Н15 в холоднодеформиро- ванном состоянии. Следовательно, используя в каче- стве подложки дешевые низкоуглеродистые стали, можно получать приповерхностные слои, обладающие высокой адгезией с основой и имеющие структурно- фазовый состав и уровень эксплуатационных характе- ристик, например микротвердость и коррозионную стойкость, соответствующие сложнолегированным сталям. ЛИТЕРАТУРА 1. Б.А. Калин. Перспективные радиационные техно- логии в материаловедении //Инженерная физика. 1999, №1, с. 3–10. 2. Б.А. Калин. Перспективные радиационно-пуч- ковые технологии получения и обработки материа- лов //Известия ТПУ. 2000, т. 303, в. 2, с. 46–58. 171 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. 1 2 3 3. В.М. Зинченко. Инженерия поверхности – путь достижения предельных свойств деталей //МИТОМ. 1999, №7, с. 22–31. 4. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов: Учебник /В.А. Грибков, В.Ф. Григорьев, Б.А. Калин, В.Л. Якушин /Круглый год. 2001, 528 с. 5. B.A. Kalin. Prospects for Radiation-Treatment Tech- nologies for New Materials //UMRS Facets. 2002, v. 2, №1, p. 15–21. 6. Б.А. Калин, Н.В. Волков. Влияние физико-химиче- ского взаимодействия на процесс легирования по- ликристаллических подложек металлов методом ионного перемешивания при облучении пучком ионов со средней энергией 10 кэВ //Proceedings of 12th International Conference on Physics and Chem- istry of Inorganic materials. September 23-27, 2003, Tomsk, Russia, p. 231–235. 7. Б.А. Калин, В.Л. Якушин. Модифицирование структурно-фазового состояния металлических ма- териалов при воздействии потоков высокотемпера- турной импульсной плазмы //Там же, р. 269–274. 8. Н.В. Волков, Б.А. Калин, И.В. Олейников. Особен- ности легирования материалов методом ионного перемешивания при облучении систем «много- слойная пленка -поликристаллическая подложка» пучком ионов Ar+ со средней энергией 10 и 20 кэВ //Поверхность. 2004, №8, с. 48–51. 9. Н.В. Волков, Б.А. Калин, В.В. Осипов, И.В. Олей- ников. Структура оксидных пленок, полученных на ионно-легированной поверхности циркониевых сплавов //ФХОМ. 2004, №1, с. 13–21. 10. В.Л. Якушин, Б.А. Калин, П.С. Джумаев и др. Влияние импульсной обработки потоками высокотемпературной плазмы на повышение коррозионной стойкости ферритно-мартенситных сталей в жидком свинце //ФХОМ. 2005, №4, с. 33– 45. 11. В.Е. Панин, Л.Е. Панин. Масштабные уровни гомеостаза в деформируемом твердом теле //Физическая мезомеханика. 2004, т. 7, №4, с. 5–23. РАДІАЦІЙНО-ПУЧКОВИЙ ВПЛИВ – МЕТОД СТВОРЕННЯ ГРАДИЕНТНОГО СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СТАНУ У МАТЕРІАЛАХ АТОМНОЇ ТЕХНІКИ Б.О. Калін, Н.В. Волков, В.Л. Якушин Розглянуто й узагальнені експериментальні результати по створенню градиентных коррозійно-стійких струк- турно-фазових станів (СФС) у матеріалах і оболонках твэлов реакторів на теплових і швидких нейтронах. Для зміни СФС поверхневого шару сложнолегованих матеріалів, наприклад стали оболонок твэлов, ефективним є вплив потоками високотемпературної імпульсної плазми (ВТИП), що дозволяє проводити найшвидке загартуван- ня, у тому числі з рідкого стану, і жидкофазне легування, що дозволило підвищити корозійну стійкість феритно- мартенситної сталі в рідкому свинці. Стосовно до сплавів цирконію (Э110 та Э635) представлені нові результати по СФС, створеним методом "іонного перемішування". Підвищення корозійної стійкості сплавів циркония в па- роводяному середовищі (350...400 °С, 16 МПа) досягнуто внаслідок зміни механізму росту оксидної плівки. RADIATION-BEAM ACTION AS A METHOD TO FORM GRADIENT STRUCTURAL-PHASE STATE IN MATERIALS OF NUCLEAR ENGINEERING B.A. Kalin, N.V. Volkov, V.L. Yakushin The experimental results on the formation of gradient corrosion-resistant structural-phase states (SPhS) in materials and fuel claddings of thermal and fast-breeder reactors have been considered and summarized. The action by high-temper- ature pulsed plasma flows (HTPPF) is effective for changing the SPhS of a surface layer of materials with complex com- position, for example, the steel of fuel claddings. It makes it possible to perform ultraspeed hardening, including that from a liquid state, and liquid-phase alloying, what allowed to increase the corrosion resistance of a ferritic-martensitic steel in liquid lead. As applied to E110 and E635 zirconium alloys, new results on the SPhS formed by the method of “ion mix- ing” have been presented. An increase in the corrosion resistance of the zirconium alloys in a water-steam environment (350…400 ºC, 16MPa) has been attained owing to a change in the oxide film growth mechanism. 172 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 164-171. ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УДК 621.039.6

Радиационно-пучковое воздействие – метод создания градиентного структурно-фазового состояния в материалах атомной техники

Репозитарії

Схожі ресурси