СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
1 ВОДОРОД В ЦИРКОНИИ И ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВАХ......................................................... 10
1.1 Взаимодействие металлов с водородом........................ 10
1.1.1 Взаимодействие циркония и сплавов на его основе с водородом.................................................... 12
1.1.2 Влияние водорода на механические свойства циркониевых сплавов...................................................... 19
1.2 Методы создания защитных покрытий от проникновения водорода в объём материала................................... 24
1.2.1 Влияние импульсного электронного воздействия на структуру
и свойства металлов........................................... 29
1.3 Вы воды................................................... 33
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................... 35
2.1 Постановка задачи......................................... 35
2.2 Материал и методы исследования............................ 36
2.2.1 Материал исследования................................. 36
2.2.2 Электронно-импульсное облучение поверхности циркониевого сплава 2г1%ЫЬ................................................ 37
2.2.4 Методы насыщения водородом............................ 37
2.2.4.1 Насыщение водородом из газовой фазы................ 37
2.2.4.2 Электролитическое насыщение водородом.............. 38
2.2.5 Определение содержания водорода....................... 39
2.2.6 Метод вторичной ионной масс-спектрометрии............. 40
2.2.7 Оптическая, растровая и электронная микроскопия....... 42
2.2.8 Рентгеноструктурный анализ............................ 43
2.2.9 Испытания на растяжение............................... 43
2.2.10 Методы измерения микро- и нанотвердости.............. 45
2
2.2.11 Износостойкость....................................... 47
3 ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА гк\%т............................................................ 49
3.1 Оценка температурных полей при воздействии импульсным электронным пучком на циркониевый сплав 2г1%ЫЬ............. 49
3.2 Влияние импульсного электронного облучения на микроструктуру циркониевого сплава 7г1%ИЬ.................. 58
3.3 Исследование механических свойств циркониевого сплава после облучения ИЭП.............................................. 66
3.3.1 Влияние режимов облучения на твердость циркониевого сплава..................................................... 66
3.3.2 Износостойкость........................................ 68
3.3.3 Влияние импульсного электронного воздействия на деформационное поведение циркониевого сплава 2г1%МЬ........ 70
3.4 Выводы.................................................... 72
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СВОЙСТВА ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА 1 %Ш...................................... 73
4.1 Содержание водорода в циркониевом сплаве в исходном состоянии и после воздействия ИЭП.......................... 73
4.2 Исследование кинетики сорбции водорода исходным и модифицированным циркониевым сплавом....................... 75
4.3 Распределение водорода по глубине в исходном циркониевом сплаве и после модификации................................. 78
4.4 Изменение фазового состава циркониевых сплавов при насыщении водородом........................................ 81
4.5 Исследование влияния водорода на механические свойства исходного и модифицированного ИЭП сплава циркония 2г1%ЫЬ 83
3
4.5.1 Микротвердость.................................... 83
4.5.2 Диаграмма растяжений.............................. 87
4. 6 Выводы............................................... 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................ 93
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВА1II1ЫХ ИСТОЧНИКОВ........................ 95
4
ВВЕДЕНИЕ
Циркониевые сплавы являются конструкционным материалом для важнейших элементов активных зон атомных энергетических реакторов. Это объясняется низким сечением захвата тепловых нейтронов, хорошей коррозионной стойкостью и прочностными характеристиками [1]. В отечественном рсакторостроении широкое применение нашли сплавы 7г1%ЫЬ (Э110), 7г2,5%ЫЬ (Э125) и гг1%ЫЬ(1,1 - 1,3)%8п-(0,3 - 0,4)%Рс (Э635). К примеру, из сплава 7д1%ЫЬ изготавливают оболочечные трубы и дистанционирующие решетки для реакторов ВВЭР и РБМК. В процессе эксплуатации такие изделия подвержены наводороживанию. Поглощенный циркониевыми сплавами водород, при определенных концентрациях, является причиной их охрупчивания и последующею разрушения. На процессы поглощения водорода изделиями существенное влияние оказывает структурно-фазовое состояние циркониевых сплавов, условия эксплуатации (температура, действующие напряжения). По техническим условиям эксплуатации материалов не удается исключить проникновение водорода в изделия из циркониевых сплавов [2, 3]. Таким образом, проблема воздействия водорода на физико-механические свойства циркониевых сплавов является актуальной и представляет не только практический, но и самостоятельный фундаментальный интерес.
К настоящему времени можно выделить следующие направления исследований, целью которых является повышения механических и антикоррозионных свойств циркониевых сплавов: усовершенствование композиционного состава; разработка и создание новых сплавов; нанесение различных защитных покрытий и разработка новых методов модификации поверхности изделий.
Для улучшения эксплуатационных характеристик металлов и сплавов перспективными являются методы модифицирования концентрированными потоками энергии (электронными пучками, лазерным облучением, ионной
5
имплантацией) структурно-фазового состояния в приповерхностных слоях тонкостенных изделий [4]. Применение импульсных электронных пучков (ИЭП) является перспективным для поверхностной обработки материалов, так как они имеют высокий КПД преобразования запасаемой электрической энергии в энергию пучка, большую надежность, высокую степень рег улирования параметров пучка, меньшую стоимость оборудования [5]. При модификации поверхности импульсным электронным пучком создаются условия для образования в поверхностном слое аморфной, нано- и субмикрокристаллических структур, что, в свою очередь, может приводить к улучшению физико-механических свойств материала [3 - 6]. Эффективность использования ИЭП для улучшения механических свойств (увеличение твердости, повышение коррозионной стойкости и износостойкости, уменьшение коэффициента трения) конструкционных материалов была продемонстрирована в работах авторов: Н.Н. Коваль, Г.Е. Ремнев, В.II. Ротштейн , Ю.Ф. Иванов, Д.И. Проскуровский, В.П. Кривобоков, J.X. Zou, С. Dong.
Однако в литературе практически отсутствуют данные по влиянию сильноточного импульсного электронного пучка на структуру и физикомеханические свойства циркониевых сплавов. В то же время такие исследования имеют важное практическое значение для разработки технологии модификации поверхности изделий, способных работать в жестких условиях ядерных реакторов. Самостоятельный интерес представляет изучение закономерностей взаимодействия водорода с модифицированной поверхностью циркониевого сплава.
В этой связи, целью настоящей работы являлось исследование модификации поверхности циркониевых сплавов, на примере сплава Zrl%Nb, при се облучении импульсным электронным пучком.
Положения, выносимые на защиту
1. Моделирование воздействия ИЭП с энергией электронов Е = 15 кэВ, длительностью импульса т = 50 мке, плотностью энергии 15-20 Дж/см2 на
6
цирконий, свидетельствует, что высокоскоростной нагрев ~ 109 К/с и последующее охлаждение приповерхностного слоя, создают условия для фазовых и структурных превращений.
2. Воздействие НЭП на циркониевый сплав при плотности энергии пучка 18-20 Дж/см2, длительностью т = 50 мкс модифицирует
поверхностный слой на глубину ~ 8 мкм, трансформируя его в мартенсит, состоящий из пластин размерами от 0,1 до 0,3 мкм и двойников, обладающий высокой твердостью.
3. Закономерности взаимодействия водорода с модифицированным циркониевым сплавом Zr\%NЬ импульсным электронным пучком длительностью импульса т = 50 мкс, плотностью энергии Н5 = 18 - 20 Дж/см2, энергии Е = 18 кэВ, заключающиеся в повышении твердости поверхностного слоя, уменьшении скорости сорбции и поглощения водорода в 3 раза, обусловлены образованием мартенситного слоя, служащего барьером для проникновения водорода в объем сплава.
Научная новизна: Достижение сформулированной цели, в
соответствии с общим планом исследований, практически полностью отражает научную новизну полученных в диссертации данных. Впервые получены экспериментальные данные о влиянии облучения импульсным электронным пучком на структурно-фазовые превращения в поверхностном слое циркониевого сплава 7г1%МЬ.
Впервые выявлены качественные и количественные закономерности кинетики взаимодействия водорода с модифицированной импульсным электронным пучком поверхностью циркониевого сплава 7г1%ЫЬ.
Практическая ценность работы: На основе теоретических и
экспериментальных исследований обоснованы рекомендации по использованию сильноточных импульсных электронных пучков для модификации поверхности циркониевых сплавов, с целью снижения проницаемости водорода в объем изделий.
7
Практическая значимость подтверждается выполнением следующих научно-исследовательских работ:
1. ФЦП «Национальная технологическая база на 2007 - 2011 годы» подраздел «Технологии ядерной энергетики нового поколения».
2. Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы». Мероприятие Программы № 2 «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки». Раздел № 2.1 «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук». Подраздел № 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук». Тема: «Физические свойства водородной подсистемы при воздействии ионизирующего излучения» 2009 -2011 гг.
3. Тема «Неразрушающий контроль и диагностика в производственной сфере». По постановлению Правительства России № 220 «О мерах по привлечению ведущих учёных в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования».
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, использованием современных методов и методик
исследования, большим объемом экспериментальных данных и их
статистической обработкой, сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.
Личный вклад автора заключается в проведении большинства экспериментальных и теоретических исследований, обработке результатов измерений, их анализе на основе существующих представлений физики конденсированного состояния.
Апробация работы и публикации: материалы диссертации были представлены на международных и всероссийских конференциях и
- Київ+380960830922