РОЗДІЛ 2
КРИТЕРІЇ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИБОРУ МАТЕРІАЛІВ ТА ОСНОВНІ АСПЕКТИ МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Провідна роль енергетики у розвитку без винятку всіх галузей народного
господарства передбачає подальше удосконалення технології виготовлення та
експлуатації енергетичного обладнання. Це особливо актуально з огляду на
розробку та впровадження ядерних енергетичних установок нового покоління
підвищеної безпеки, зокрема реакторів на швидких нейтронах та гібридних
підкритичних систем, що керуються спеціальними прискорювачами. Як теплоносії
для них обрані Pb, Bi та їх евтектичні сплави. Тому вирішення матеріалознавчих
проблем на сьогоднішній день є одним з основних на шляху створення та безпечної
експлуатації деталей енергомашинобудування. При цьому підвищуються вимоги як до
раціонального вибору економнолегованих, технологічних та екологічно безпечних
конструкційних матеріалів, так і до розробки та впровадження сучасних
технологій інженерії поверхні готових виробів з них для збільшення ресурсу
працездатності за умов експлуатації [27, 28, 64].
У кожному конкретному випадку експлуатації слід враховувати зовнішні та
внутрішні чинники та керуватись технічною політикою провідних індустріальних
держав і світової спільноти, що спрямовані на покращення екологічної ситуації
зведення до мінімуму негативних наслідків при впровадженні нових матеріалів та
технологій. Тому продовжується дослідження матеріалів різних структурних класів
з метою оптимізації їх властивостей та пошуку найбільш ефективних способів
захисту від шкідливої дії робочих середовищ. Традиційно так склалося, що
основними конструкційними матеріалами енергетичного обладнання переважно є
низьколеговані сталі перлітного класу, корозійнотривкі сталі
ферито-мартенситного та аустенітного класу, високонікелеві сплави, титанові та
ванадієві сплави, деякі кольорові сплави на основі міді. Серед означених
матеріалів за критеріями надійності, економічними чинниками, технологічністю
та, у випадку експлуатації у ядерній та термоядерній енергетиці, низьким спадом
наведеної активності перевагу віддають ванадієвим сплавам системи V – Cr – Ti
та корозійнотривким сталям [21, 23, 24, 27, 28, 64, 65].
2.1. Характеристика ванадію та сплавів ванадію систем V – Cr, V – Ti, V – Cr –
Ti
Ванадієві сплави використовують у енергетиці поряд з корозійнотривкими сталями
ферито-мартенситного, аустенітного класів. Значні природні ресурси ванадію,
висока температура плавлення, велика швидкість спаду наведеної активності,
стійкість проти окислювання за умов температури експлуатації до 600° С, мала
питома вага та ряд інших фізичних властивостей роблять його перспективним
конструкційним матеріалом. Пластичність ванадію, що досягається при глибокому
очищенні від домішок під час переплавлення вакуумною електронно-променевою
плавкою відкриває перспективи для розробки сплавів на основі цього металу,
оскільки жароміцні ванадієві сплави – найменш вивчена група конструкційних
матеріалів, хоча сам ванадій вважається одним з найбільш поширених у природі
елементів [8]. З групи тугоплавких металів ванадій характеризується найменшою
питомою вагою (6,11 г/см2) та найбільш оптимальним комплексом теплофізичних та
радіаційних властивостей. За питомою жароміцністю ванадій перевищує
корозійнотривкі сталі, а ванадієві сплави можуть з успіхом конкурувати з
багатьма ніобієвими та молібденовими сплавами за жароміцністю та корозійною
тривкістю. Металовироби з ванадію і його сплавів використовуються у авіаційній,
ракетній та атомній техніці, зокрема, для активних зон реакторів ділення поряд
із більш дослідженими сталями ферито-мартенситного та аустенітного класів [66].
Як конструкційні реакторні матеріали можуть бути використані сплави ванадію з
ніобієм, алюмінієм, титаном. Через високу корозійну тривкість труби, листи,
прутки з ванадієвих сплавів перспективні для використання у хімічній
промисловості. Ванадій використовується також при виготовленні надпровідних
сплавів (сплави ванадію з галієм, кремнієм, титаном, скандієм та ін.).
Ці сплави відзначаються істотними перевагами серед інших конструкційних
матеріалів саме завдяки високій теплопровідності та опору розбуханню, високій
міцності та пластичності до температур 700 - 800° С, хорошій здатності до
зварювання. Ці властивості є визначальними у виборі для дослідження ванадієвих
сплавів систем V – Cr, V – Ti, V – Cr - Ti. Переважно розробка та вивчення цих
сплавів ведеться у США (сплави системи V – Cr – Ti) та у Росії. Така система
легування найбільш досконала, оскільки результати досліджень авторів [21]
показали, що активаційні характеристики ванадієвих сплавів погіршуються такими
домішками, як Ni, Nb, Mo, Co, Ag, Bi, Cu, Sn. Наші попередні дослідження
показали, що ванадієві сплави володіють високим опором до деградації
властивостей у розплаві Li17Pb83 [8, 9, 67].
У роботі досліджувались ванадієві сплави систем V – Cr, V – Ti, V – Cr - Ti,
хімічний склад яких наведений у таблиці 2. 1, а номери досліджуваних зразків
наведені на розрізі потрійної діаграми V – Cr - Ti (рис. 2. 1). Сплави
розроблені та виплавлені в Інституті металургії ім. Байкова, м. Москва [67].
Таблиця 2.1
Хімічний склад досліджуваних ванадієвих сплавів
Система легування сплаву
№ сплаву
Хімічний склад
Мікротвердість у вихідному стані Нм, МПа
1420
V - Cr
18
V – 10 % Cr
1700
19
V – 20 % Cr
1890
20
V – 30 % Cr
2240
Продовження таблиці 2.1
89
V – 15 % Cr
1630
90
V – 25 % Cr
1870
91
V – 35 % Cr
2120
92
V – 40 % Cr
2200
V - Ti
15
V – 20 % Ti
2250
16
V – 15 % Ti
2030
17
V – 10 % Ti
1870
24
V – 30 % Ti
2510
122
V – 5 % Ti
1880
- Київ+380960830922