автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование радиационной стойкости меди и медных сплавов для энергонапряженных элементов ТЯР

На правах рукописи

БАРАБАШ ВЛАДИМИР РАФАИЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЭНЕРГОНАПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЯР

специальность: 05.16.01 — металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург - 1995

Работа выполнена в Научно —исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Рыбин В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Паршин А.М. Неустроев В.С.

Ведущая организация:

Всероссийский научно — исследовательский институт неорганических материалов им. А.А.Бочвара

Защита состоится " 01 " июня 1995 года в 15 час, на заседании диссертационного совета Д.063.38.08 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете (195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, СПбГТУ).

С диссертацией можно ознакомитсья в библиотеке СПбГТУ. Автореферат разослан " 28 " апреля_1995 г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета Казакевич Г.С.

Актуальность проблемы.

Работы по созданию термоядерной энергетики ставят перед различными областями науки и техники, в частности перед радиационным материаловедением, задачи по всестороннему исследованию новых конструкционных материалов, перспективных для использования в различных узлах термоядерных реакторов (ТЯР). В первую очередь это относится к проблемам, которые связаны с разработкой термоядерного реактора ИТЭР (совместный проект России, США, ЕС и Японии). Среди наиболее критических проблем в проектируемых термоядерных реакторах особую важность представляют энергонапряженные элементы разрядных камер ТЯР, такие как дивертор, лимитеры и первая стенка. Эти элементы конструкций расположены в непосредственной близости от плазмы и подвергаются одновременному воздействию тепловых и корпускулярных потоков, нейтронному облучению. Необходимость обеспечения работоспособности конструкций в условиях воздействия больших тепловых нагрузок (1 — 20 МВт/м2 для лимитеров и дивертора реактора ИТЭР) и привела к предложению использовать медь и медные сплавы как материалы с максимальной теплопроводностью среди известных конструкционных материалов.

Несмотря на то, что медь и медные сплавы широко используются в машиностроении и энергетике вследствие благоприятного сочетания теплофизических и механических свойств, радиационная стойкость этих материалов изучена недостаточно хорошо, что связано с тем, что материалы этого класса в традиционной ядерной энергетике в качестве материалов активных зон никогда не использовались. В последние несколько лет начато изучение радиационной стойкости материалов на основе меди, однако многие вопросы, связанные с особенностями поведения медных сплавов как материалов с гцк—решеткой (радиационное распухание, низко— и высокотемпературное охрупчивание), остаются не исследованными и требуют своего решения, и поэтому вполне определенный практический и научный интерес вызывает изучение радиационной стойкости меди и медных сплавов.

Цель работы.

Изучить особенности распухания и структурно — фазовых изменений в меди и медных сплавах при ионном облучении, имитирующем нейтронное воздействие, и исследовать влияние нейтронного облучения в определенных интервалах доз и температур на механические свойства меди и медных сплавов с целью обоснования выбора материалов для энергонапря— женных элементов реактора ИТЭР.

Нзучная новизна, В настоящей диссертации впервые;

1). Установлено, что ответственным фактором за распухание сплава МАГТ—0.2 является наличие дисперсных частиц типа А1203 высокой плотности, а не стабилизирование этими частицами дислокационной структуры;

2). Обнаружено и исследовано явление радиационно — индуцированной фрагментации в сплаве МАГТ—0.2;

3). Получены данные о незначительном проявлении каскадного растворения упрочняющих частиц типа А1203 в сплавах МАГТ-0.2 и Glidcop AI25;

4). Получены экспериментальные данные об охрупчивании меди при температурах послереакторных испытаний более 300°С;

5). Получены данные о влиянии температуры и дозы нейтронного облучения на механические свойства сплава БрХЦр;

6). Получены данные о влиянии нейтронного облучения на механические свойства сплава МАГТ—0.2, свидетельствующие о высокой стабильности прочностных свойств после облучения.

Практическая ценность работы.

Результаты исследований, приведенные в диссертации, могут быть использованы:

— при разработке новых радиационностойких материалов для реакторов термоядерного синтеза;

— для определения температурно—дозных интервалов применения меди и медных сплавов в различных узлах конструкций термоядерных реакторов.

Основные положения диссертации, выносимые автором на защиту:

1. Закономерности распухания меди МОб, сплавов БрХЦр, МАГТ-0.2, МАГТ—0.05, Си — Мо, в различном структурном состоянии при ионном облучении;

2. Экспериментально полученные данные, свидетельствующие, что ответственным фактором за подавление распухания в сплаве МАГТ—0.2 является наличие дисперсных частиц типа А1203 высокой плотности, а не стабилизирование этими частицами дислокационной структуры;

3. Обнаруженное явление радиационно —индуцированной фрагментации в сплаве МАГТ—0.2;

4. Экспериментальные данные о незначительном проявлении динамического каскадного растворения упрочняющих частиц типа А1203 в сплавах МАГТ—0.2 и Glidcop А125;

5. Экспериментальные данные об охрупчивании чистой меди после нейтронного облучения при температурах после — реакторных испытаний более 300°С;

6. Экспериментальные данные о значительном разупрочнении сплава БрХЦр при температурах облучения более 300°С температуры и вывод о том, что такое изменение свойств происходит уже при низких дозах (~0.5 смещ./атом) нейтронных повреждений;

7. Экспериментальные данные о влиянии нейтронного облучения на механические свойства сплава МАГТ—0.2, свидетельствующие о высокой стабильности прочностных свойств после облучения.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка литературы и содержит 80 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 103 наименований (всего 135 страниц).

Апробирование.

Основные результаты, приведенные в диссертации,

доложены на: _ 4й

Всесоюзной конференции "Исследование и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза", Дубна, февраль 1990;

— Международной конференции по радиационному материаловедению, Алушта, май 1990;

— Iй Всесоюзной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", Ленинград, сентябрь 1990,

— 2й Всесоюзной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", Ленинград, сентябрь 1992;

— Международной конференции по физике радиационных эффектов в металлах, Сиофок, Венгрия, май 1991.

— рабочих совещаниях Международной проектной группы реактора ИТЭР, Гархинг, ФРГ, август 1988, февраль 1990, июль 1990;

— 5й Международной конференции по материалам для реакторов термоядерного синтеза, Флорида, США, ноябрь 1991;

— 6й Международной конференции по материалам для реакторов термоядерного синтеза, Стреса, Италия, сентябрь 1993.

Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано 14 работ.

В первой главе сформулированы условия работы материалов на основе меди в конструкциях ТЯР и проведен обзор работ по исследованию радиационной повреждаемости меди и медных сплавов. В обзор включены данные о радиационном распухании меди и медных сплавов. Отмечается ограниченность экспериментальных данных, не позволяющая однозначно объяснить высокую сопротивляемость распуханию ДУ сплавов. Рассматривается влияние нейтронного облучения на механические свойства меди и медных сплавов. Подчеркивается ограниченность данных по влиянию нейтронного облучения при дозах более нескольких смещений на атом на прочностные свойства меди при повышенных температурах испытаний; недостаток данных по влиянию облучения на свойства медных сплавов; в частности отмечено, что большинство имеющихся данных по механическим свойствам дисперсноупрочненных сплавов получены при комнатной температуре послереакгорных испытаний. В заключительной части главы сформулирована постановка задачи диссертационной работы.

Во второй главе представляется описание исследуемых материалов, которыми являлись:

— чистая медь марки МОб;

— дисиерсионнотвердеющий медный сплав БрХЦр;

— дисперноупрочненные медные сплавы МАГТ—0.2, Си —Мо, МАГТ —0.05, Glidcop А125.

Представляется описание установки для имитационных исследований радиационной повреждаемости. Облучение образцов было проведено на электростатическом ускорителе ЭГ—5Т НИИЭФА ионами аргона с энергией 3 МэВ. Расчет распределений дозы повреждений и концентрации имплантированных частиц проводился по программе TRIM. Описываются методики приготовления образцов для ионного облучения и последующего исследования в просвечивающем электронном микроскопе; методика расчета величины распухания и параметров структуры. Представляются методики облучения образцов в реакторах БОР — 60 и СМ —2 и послере — акторных испытаний механических свойств облученных материалов.

В третьей главе излагаются основные результаты исследования распухания и структурно — фазовых изменений в меди, ДУ и ДТ медных сплавах при ионном облучении.

1). Распухание меди.

Исследование распухания и структуры меди проводилось при облучении ионами аргона с энергией 3 МэВ в интервалах температур 260 — 600°С и доз 3 — 30 смещ./атом, скорость создания повреждений — (2 —4)10-3(смещ./атом) с_Получены температурная и дозная зависимости распухания и параметров пористости. В частности, температура максимума распухания составила 500°С, средний размер и концентрация пор при данной температуре и дозе 30 смещ./атом равны 190 нм и 31019 м-3, распухание ~ 9%. Средняя скорость распухания составила (0.26—0.45)%/смещ./атом; для меди характерно отсутствие инкубационного периода — первые поры наблюдались уже при дозе 3 смещ./атом. Полученные температурные и дозные зависимости распухания и параметров пористости хорошо совпали с имеющимися данными,

что позволило сделать вывод о правильности выбранной методики.

2). Распухание и структурные изменения в сплаве БрХЦр.

В исходном состоянии после термической обработки (закалка в воду после нагрева до 950°С, холодная деформация на 90% и старение при температуре 450°С в течение двух часов) для сплава характерна высокая плотность неравномерно распределенных дислокаций (р^ ~ 10^ м-в теле зерен наблюдались равномерно распределенные дисперсные частицы размером 5 — 20 нм, которые были идентифицированы как выделения чистого хрома. Образцы сплава БрХЦр были облучены при температуре 260 — 350°С до дозы 72 смещ./атом.

Анализ структуры облученных образцов позволил определить следующие особенности:

1) При облучении в интервале температур 260—350°С до доз 72 смещ./атом пористость не была обнаружена;

2) Основные структурные изменения связаны с образованием радиационных дефектов (в виде дислокационных петель), перестройкой дислокационной структуры и изменением фазового состава. Фазовый анализ показал, что во внутренних объемах фрагментов происходит частичное растворение выделений хрома и образование множества мелкодисперсных частиц новой фазы, размер которых не превышает 5—10 нм. При дозе облучения 72 смещ./атом мелкодисперсные выделения образуются не только в теле, но и по границам зерен. Размер таких частиц достигает 30—70 нм, наиболее крупные из них идентифицированы как Сг2^ и Си2Мд.

Проведенные исследования показывают, что с точки зрения радиационного распухания сплав БрХЦр обладает высокой стойкостью к порообразованию, однако значительные фазовые изменения будут неминуемо сказываться на механических свойствах при радиационном воздействии.

3). Распухание сплава Си —Мо.

Исходная структура сплава Си —Мо представляет собой медную матрицу, упрочненную частицами молибдена. Средний размер частиц молибдена ~ 40 нм, их форма близка к равновесной (п = 1/ё = 1,14), концентрация частиц - 2-1020 м—3,

плотность дислокации p<j ~ м .

Образцы сплава Си —Мо были облучены при температуре 350°С до максимальной дозы 72 смещ./атом. При данной дозе в сплаве была обнаружена вакансионная пористость, средний размер пор — 24 нм, концентрация — 7-1018 м-3, распухание составило 1.5%. Отмечено, что большинство пор связано с частицами упрочняющей фазы, также при облучении происходит некоторое вытягивание частиц молибдена, характеризующееся увеличением коэффициента п с 1.14 до 1.44. Таким образом, наличие в качестве второй фазы частиц молибдена приводит к значительному увеличению сопротивляемости радиационному распуханию сплава Си —Мо, однако по сравнению со сплавом БрХЦр сплав Си —Мо обладает меньшей стойкостью к распуханию.

4). Распухание и структурные изменения в сплаве МАГТ-0.2.

Проведено подробное исследование исходной структуры сплава МАГТ—0.2. Отмечено, что для микроструктуры данного сплава в холоднодеформиропагшом состоянии характерно наличие "ковровой" и "полосовой" структуры со средней плотностью дислокаций (1—2)1014 м~2. В сплаве были обнаружены два типа дисперсных частиц: мелкие равновесные со средним размером 6 нм, концентрация частиц (4 — 5)1022 м-3, которые были идентифицированы как (АГП^Оз, и крупные выделения (AI2O3, ТЮ2 и НЮ2) со средним размером 100— 150 нм. Облучение образцов сплава МАГТ —0.2 в различном структурном состоянии (холоднодеформированном и отожженном при 950°С в течение 1 часа) проводилось в интервалах температур 180 — 350°С и доз 30— 150 смещ./атом.

Образование пористости при облучении до доз 150 смещ./атом при температуре 350°С в сплаве МАГТ—0.2 в холоднодеформированном и отожженном состояниях обнаружено не было. Основное отличие структуры в этих двух состояниях связано с плотностью дислокаций, которая для материала в отожженном состоянии составила (1— 2)1011 м-2. Это позволило сделать вывод, что основным вкладом, определяющим высокую стойкость к распуханию сплава МАГТ—0.2, является аннигиляция точечных дефектов на границах раздела дисперсная фаза/матрица или на упругих

полях дисперсной фазы, а не аннигиляция точечных дефектов за счет дислокационной структуры, стабилизированной дисперсными частицами.

Исследование сплава МАГТ — 0.05 (основное отличие от сплава МАГТ—0.2 — более низкая концентрация частиц упрочняющей фазы, составляющая ~ (0.6—0.8)-1022 м-3) показало, что после облучения при температуре 350°С и дозах порядка 60 смещ./атом наблюдалось распухание, которое составило ~1%.

Обобщенные данные о распухании исследуемых материалов при температуре облучения 350°С представлены на рис.1. Анализируя полученные данные, можно отметить следующее:

— среди исследуемых материалов с точки зрения сопротивляемости радиационному распуханию наиболее стойкими являются сплавы МАГТ—0.2 и БрХЦр;

— размер и концентрация упрочняющих частиц в диспер — сноупрочненных сплавах определяют их сопротивляемость радиационному распуханию, наличие дисперных частиц в сплаве МАГТ—0.2 с концентрацией (4 —5J1022 м-3 полностью подавляет распухание вплоть до доз 150 смещ./атом, в то время как сплавы с меньшей концентрацией упрочняющих частиц распухают при значительно более низких дозах.

150

Доза повреждений, смещ./атом

Рис. 1. Дозная зависимость распухания исследуемых материалов, температура облучения 350°С.

5). Изучение особенностей образования радиационно — индуцированной фрагментированной структуры в сплаве МАГТ-0.2.

Для сплава МАГТ—0.2 в холоднодеформированном состоянии основные структурные изменения, происходящие при ионном облучении, — возврат и полигонизация дислокационной структуры и образование фрагментированной структуры с практически бездефектным внутренним строением. Исследование влияния отжигов при температурах до 1000°С показало, что возникновение такой субзеренной стуктуры происходит после высокотемпературного отжига (> 800°С), в то время как после ионного облучения данная структура наблюдалась уже при температуре облучения 180°С.

Для изучения этого явления было проведено дополнительное исследование образцов сплава, облученных при температурах 180 и 350°С до дозы 20 смещ./атом. В таблице 1 представлены средние значения параметров субзеренной структуры в исследуемом сплаве после ионного облучения. Анализ параметров радиационно —стимулированной субзеренной структуры позволил сделать вывод, что по морфологическим и кристаллографическим признакам радиационно — стимулированная субзеренная структура идентична так называемой "фрагментированной" структуре, которая формируется в процессе развитой пластической деформации в результате активизации ротационной моды пластичности. При холодной деформации упрочненных дисперсными частицами медных сплавов аккомодационные процессы заторможены и не могут реализоваться без дополнительного воздействия, которым в рассматриваемом случае является ионное облучение. Получено, что формирующаяся под воздействием ионного облучения субзеренная структура во многом определяется исходным структурным состоянием материала, а именно градиентом A0ML непрерывного изменения кристаллографической ориентировки.

Показано также, что параметры субзеренной структуры зависят от температуры облучения. Для низкотемпературного облучения характерна более дисперсная структура, однако и уровень разориентировок на субзеренных границах ниже, так что отношение этих параметров остается примерно постоянным. Таким образом, обнаружено, что при ионном облучении

Таблица 1. Параметры субзеренной структуры в сплаве

МАГТ-0.2

Температура облучения, °С Параметры субзеренной структуры A0/AL для исходной Х.Д. стуктуры, град/рм

<©> град. (<1> + <d>) / 2, рм 2<0>/(<1> + <d>), град/рм

350 4.2 0.54 7.8 7.0-9.8

180 1.2 0.17 6.9 7.0-9.8

где: <©> — средний угол разориентировки; <1> и <с!> — средние длина и ширина фрагментов.

происходит образование фрагментированной субзеренной структуры и классифицировано, что данная структура является радиационно—стимулированной.

6. Исследование каскадного растворения упрочняющих частиц в дисперсноупрочненных сплавах.

Одним из эффектов воздействия нейтронного или ионного облучений на свойства материалов является изменение размеров и концентрации дисперсных частиц, связанное с динамическим каскадным (баллистическим) растворением. В случае попадания частиц в зону каскада вероятно полное или частичное растворение частиц, что, в конечном итоге может сказаться на рекомбинационных параметрах системы Си —AI2O3, определяющих радиационную стойкость этого материала.

Для анализа возможных эффектов, связанных с каскадным растворением, было проведено специальное исследование; в качестве изучаемых материалов были выбраны сплавы МАГТ—0.2 и Glidcop А125. Образцы сплавов были отожжены при 900°С в течение 1 часа для уменьшения плотности дислокаций. Образцы были облучены ионами Аг+ с энергией 3 МэВ до доз 20—30 смещ./атом при температурах 180 — 350°С, скорость создания повреждений (2 —4)10-3 (смещ./атом)-1. Гистограмма распределения упрочняющих частиц в исходном и облученном состояниях представлена на рис.2.

40

<

и

33

?

2 30

01

3 о 23

о

н 20

о

£ 13

ю

н 0 10

ь

« 3

т

" То

- 20 сквщ /агом. 350 °С

МАГТ-0.2

/

Необлученный

%

^Г-.-Ьг^,

33 30 23 20 13 10 3 о

30 смещ./атом. 180 »С

:Ч.П

/

СМСор Л125 Необлученный

О 10 20

Размер частиц, нм Размер частиц, нм

Рис. 2. Распределение упрочняющих частиц в исходном и облученном сплавах МАГТ—0.2 (а) и СП(1сор А125 (б).

После облучения, в первую очередь, было обнаружено изменение формы частиц в сплаве СМсор А125 — треугольная форма частиц изменилась на дисковую. Изменений в форме частиц сплава МАГТ—0.2 обнаружено не было. Облучение при 180°С до доз 30 смещ./атом в сплаве вНскор А125 вызывает сдвиг в распределении в сторону меньших размеров, средний размер частиц до и после облучения составляет 10,5 и 6 нм, соответственно. Для сплава МАГТ—0.2 облучение не дает большого вклада в изменение распределения частиц по размерам. Не обнаружено также изменений в концентрациях упрочняющих частиц в сплавах МАГТ —0.2 и СШсор А125 после облучения.

Таким образом, проведенные исследования показали, что ни концентрация, ни средний размер упрочняющих частиц в ДУ сплавах (сплавы СНс1сор А125 и МАГТ-0.2) не претерпевают значительных изменений за счет динамического каскадного растворения, что обеспечивает высокую радиационную стойкость этих материалов.

В четвертой главе представлены основные результаты исследования влияния нейтронного облучения на механические свойства меди, сплавов БрХЦр и МАГТ —0.2.

1. Влияние нейтронного облучения на механические свойства меди М06.

Облучение образцов было проведено в реакторе БОР —60, температура облучения 335°С, флюенс нейтронов (Е >0.1 МэВ) 1-Ю26 н/м2, что соответствует 7 смещ./атом. Результаты

«

С .а

В

о к в* о о. С

а Я я а> Я

О)

о Я

и О

200-

150-

100

50-

50'

О.

необлученный

-О -о-

I

•••-А- облученный редел прочности

500

40-

30-

20-

10-

8

X ч

100 200 300 400

Температура испытаний, °С

500

Рис. 3. Влияние нейтронного облучения на прочность и пластичность меди, Тобл = 335°С, доза = 1-Ю26 н/м2.

испытаний представлены на рис.3. Как видно, облучение приводит к некоторому незначительному изменению прочности и пластичности при низких температурах после— реакторных испытаний (<100°С) и, в то же время, к резкому падению предела прочности и пластичности при повышенных температурах (более 300°С). Выдвинуто предположение, что причиной данного эффекта является высокотемпературное радиационное охрупчивание (ВТРО), связанное с влиянием трансмутантного гелия. Расчет показал, что после облучения в реакторе БОР—60 до дозы МО26 н/м2 в меди накапливается

2 аррш гелия. Для проверки данного предположения часть облученных образцов была отожжена при температуте 600°С в течение 1 часа. Последующие испытания образцов при температуре 300—400°С показали, что пластичность облученных образцов не восстанавливается и характер разрушения, также как и в случае неотожженного облученного материала, остается межкристаллитным. Дополнительно сделан вывод, что наблюдаемое охрупчивание является результатом не только накопления гелия, но также и следствием изменения микроструктуры меди в процессе облучения, которое связано с дальнейшей рекристаллизацией и ростом зерен, что приводит к выметанию гелия и гелиевых пор на границы зерен.

2. Влияние нейтронного облучения на механические свойства сплава БрХЦр.

Облучение образцов было проведено в реакторе СМ —2 при температурах облучения в интервале 100—450°С до дозы (0.6-1.ОНО25 н/м2 и (4.5-5.3)-1025 н/м2, в реакторе БОР —60 при температурах 380°С и 460°С до дозы 0.8-1026 н/м^ и 1.6 1026 н/м2. Суммарные данные о температурной зависимости предела текучести и пластичности сплава БрХЦр в исходном и облученном состояниях при Тисп =Т0дл в интервале 100 — 450°С представлены на рис.4. Получено, что низкотемпературное облучение приводит к некоторому незначительному изменению прочности, в то же время высокотемпературное облучение вызывает значительное разупрочнение сплава. Отметим, что термическая выдержка при температуре 450°С в течение 900 часов приводит к некоторому падению прочностных свойств, однако радиационное воздействие при этих же температурах вызывает еще большее уменьшение прочности материала. Таким образом, однозначно определено, что такое падение прочностных свойств связано именно с нейтронным облучением. Анализируя изменение пластичности сплава БрХЦр, можно отметить, что низкотемпературное облучение при 100°С приводит к резкому охрупчиванию материала (5р составляет ~ 0.1% во всем исследуемом температурном интервале). При температуре облучения 220°С 5р составляет ~ 1.6%, однако полное удлинение превышает значения, характерные для исходного материала. При высоких температурах облучения происходит

Температура, °С

Рис. 4. Зависимость предела текучести и равномерного удлинения сплава БрХЦр от температуры испытания в исходном и облученном состояниях, Тобл = Тисп , доза = (0.6- 1.0)-1025 н/м2.

значительная пластификация материала. Аналогичные данные о разупрочнении и пластификации сплава БрХЦр получены также после высокотемпературного облучения в реакторе БОР —60. Анализ полученных данных показал, что критической температурой облучения, которая вызывает значительное разупрочнение и пластификацию материала, является температура ~ 300°С. Суммируя данные, полученные при облучении в реакторах БОР—60 и СМ —2, построена дозная зависимость изменения предела текучести при температуре облучения в интервале 315 —460°С (рис.5).

т

5 10

Доза, 1025 н/м2

Рис. 5. Дозная зависимость предела текучести сплава БрХЦр.

Характерно, что падение прочности происходит уже при дозах порядка 0.6-1025 н/м2, дальнейшее облучение практически не приводит к дополнительному изменению предела текучести.

Для анализа полученных данных были проведены структурные исследования облученных образцов. Основные эффекты изменения структуры при низкотемпературном облучении связаны с возникновением радиационных дефектов в виде дислокационных петель. Высокотемпературное облучение приводит к резкому огрублению структуры, уменьшению плоьности дислокаций, изменению фазового состава, увеличению среднего размера упрочняющих частиц до 50 — 70 нм, которые наблюдались в теле зерна и на границах дислокационных ячеек.

Отмечена также очень важная особенность, связанная с отличием в поведении чистой меди и сплава БрХЦр. Сравнивая изменение пластичности при температурах испытаний более 300°С, можею видеть, что сплав БрХЦр обладает значительно более высокой пластичностью, чем облученная чистая медь. Принимая во внимание, что генерация гелия в меди и сплаве БрХЦр практически одинакова, сделан вывод, что структура сплава, несмотря на значительные изменения, обеспечивает удерживание гелия в теле зерна и сдерживает процессы его возможной миграции на границы зерен.

3. Влияние нейтронного облучения на прочностные свойства сплава МАГТ—0.2.

Образцы сплава МАГТ—0.2 были облучены в реакторе СМ —2 при низкой температуре (110°С), доза 1.М0кн/м2 (~0.8 смещ./атом) и в реакторе БОР —60, температура облучения 340°С, доза Г 1026н/м2 (~7 смещ./атом). Анализ полученных данных показал, что:

— низкотемпературное облучение (Тобл =110°С) приводит к некоторому упрочнению сплава, особенно при низких температурах испытаний (<200°С); при этом относительное удлинение при Тисп = 100°С уменьшается с 5 до 1.5%, (рис.6);

ЯЗ

С

к

Й ш

0) н

I

а С

<и к к ш я

v о к

и о к н

О

500

400-

300-

200-

100-

050

1

Ж ф

т +1*. N

403020 ЮН 0

HL

ш »

ш

I

К* i К«

к<

ЕЗ Исходный ЕЭ Облученный

Си БрХЦр БрХЦр МАГТ-0.2 МАГТ-Тобд: 335°С 100°С 400°С I Г0°С 340°С Доза: 7 смещ. 0.7 смещ. 0.7 смещ. 0.8 смещ. 7 смещ. /атом /атом /атом /атом /атом

0.2

Рис. 6. Влияние нейтронного облучения на прочность и пластичность исследованных материалов.

— высокотемпературное облучение (Тобл =340°С) также вызывает некоторое повышение прочности по сравнению с исходным состоянием, при этом наблюдалось некоторое уменьшение пластичности до 2% при Тиа1 = Т0дл (рис.6).

Фрактографическое исследование поверхности разрушения образцов после испытания при различных температурах показало, что во всем температурном интервале характер разрушения является вязким гранскристаллитным, что подтверждает незначительное влияние гелия на падение пластичности при повышенных тепературах. Снижение пластичности после высокотемпературного облучения может быть связано с процессами перестройки исходной дислокационной структуры и особенностями изменения характера взаимодействия с упрочняющими частицами.

Наиболее важные суммарные данные, позволяющие сравнить влияние нейтронного облучения на механические свойства исследованных материалов, представлены на рис.4.6. С точки зрения сохранения прочностых свойств при высоких температурах облучений и испытаний сплав МАГТ — 0.2 превосходит медь и сплав БрХЦр; в отличие от чистой меди сплав БрХЦр не подвержен высокотемпературному радиационному охрупчиванию и сохраняет высокую пластичность при повышенных температурах испытаний.

Полученные данные позволили сформулировать основные проблемы, связанные с использованием материалов на основе меди. Для чистой меди основные проблемы связаны с распуханием, которое наблюдается в интервале температур 200 — 600°С, и с высокотемпературным радиационным охрупчи — ванием, которое проявляется при температурах испытаний более 300°С при наличии нескольких аррш гелия. Для сплава БрХЦр критическими проблемами являются низкотемпературное охрупчивание (при температурах облучения меньше 200°С) и потеря прочностных свойств при температурах облучения более 300°С; тем самым интервал 200 — 300°С может рассматриваться как наиболее оптимальный для использования этого сплава. Сплав дисперсноупрочненного типа МАГТ —0.2 обладает высоким сопротивлением к радиационному распуханию и сохраняет высокий уровень прочностных свойств при высокотемпературном облучении, однако воз —

можное снижение пластичности должно быть принято во внимание при его использовании в конструкциях энергона — пряженных элементов ТЯР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы:

1. Впервые проведено исследование распухания и структурно—фазовых изменений в меди, сплавах БрХЦр, МАГТ-0.2, МАГТ—0.05, Си —Мо в различном структурном состоянии при ионном облучении и показано, что с точки зрения радиационного распухания и фазовой стабильности наиболее стойкими являются сплавы дисперсноупрочненного типа, среди исследованных материалов таким является сплав МАГТ-0.2;

2. Установлено, что основным фактором, определяющим высокую сопротивляемость к распуханию сплава МАГТ—0.2 является наличие дисперсных частиц типа А^Оз высокой плотности, а не стабилизирование этими частицами дислокационной структуры;

3. Впервые обнаружено и исследовано явление радиа — ционно —индуцированной фрагментации в сплаве МАГТ—0.2;

4. Получено, что динамическое каскадное растворение слабо влияет на размер и концентрацию упрочняющих частиц типа А1203 в сплавах МАГТ—0.2 и СПс1сор А125;

5. Установлено, что нейтронное облучение приводит к охрупчиванию чистой меди при температурах послереак — торных испытаний более 300°С, что объясняется влиянием трансмутантного гелия;

6. Исследовано влияние нейтронного облучения на меха — нические свойства сплава БрХЦр; получено, что при температурх облучения более 300°С происходит резкое разупрочнение и пластификация материала, этот эффект наблюдается при низких дозах (меньше 0.5 смещ./атом) нейтронных повреждений;

7. Впервые получены данные о влиянии нейтронного облучения на механические свойства сплава МАГТ—0.2 и показано, что данный сплав сохраняет высокий уровень прочностных свойств после высокотемпературного облучения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Барабаш В.Р., Ефременко Е.М., Наберенков А.В., Рыбин В.В., Нестерова Е.В., Фабрициев С.А. Исследование распухания меди при облучении тяжелыми ионами // Вопросы атомной науки и техники, Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловеде— ние. - 1990. — Вып.2(53). -С.46-49.

2. Барабаш В.Р., Наберенков А.В., Нестерова Е.В., Рыбин В.В., Фабрициев С.А. Исследование распухания медных сплавов при ионном облучении // Труды международной конференции по радиационному материаловедению, Алушта, 1990. - Харьков: ХФТИ, 1990. - Т.5. - С.195-201.

3. Рыбин В.В., Фабрициев С.А., Мовчан Б.А., Гречанюк Н.И., Осокин P.O., Барабаш В.Р., Саксаганский Г.А. Перспективный дисперсноупрочненный материал типа Си —Мо для дивертора реактора ОТР/ИТЭР // Вопросы атомной науки и техники, Сер.: Термоядерный синтез. — 1990.— Вып.З. - С.44-47.

4. Barabash V.R., Gervash А.А., Naberenkov A.V., Nesterova E.V., Rybin V.V., Fabritsiev S.A. Microstructural evolution and swelling of copper alloys under ion irradiation //J. Nucl.Mater. - 1992. - Vol.191-194. - P.411-415.

5. Gorynin I.V., Fabritsiev S.A., Rybin V.V., Kazakov V.V., Pokrovskii AS., Barabash V.R., Prokofiev Yu.G. Radiation — resistant properties of copper alloys intended for fusion reactor application // J.Nucl.Mater. - 1992. - Vol.191 -194.- P. 401-406.

6. Nesterova E.V., Rybin V.V., Fabritsiev S.A., Barabash V.R. Effect of neutron irradiation on structural stability and mechanical properties of copper alloys for ITER divertor // J. Nucl.Mater. - 1992. - Vol.191-194. - P.407-410.

7. Barabash V.R., Gervash A.A., Naberenkov A.V., Nesterova E.V., Fabritsiev S.A. A study of swelling in dispersion — strengthened copper alloys // Materials Science Forum. — 1992. - Vol.97-99. - P.483-488.

8. Fabritsiev S.A., Rybin V.V., Kazakov V.V., Pokrovskii A.S., Barabash V.R. Effect of fast neutron irradiation on the mechanical properties of precipitation — hardened copper

9. Fabritsiev S.A., Rybin V.V., Kazakov V.V., Pokrovskii A.S., Barabash V.R. Irradiation temperature effects on the mechanical properties of precipitation —hardened copper alloys//J.Nucl.Mater. - 1992. - Vol.195. - P.173-178.

10. Покровский A.C., Казаков B.A., Сайдаков B.C., Гончаренко Ю.Д., Чакин В.П., Рязанов Д.К., Фабрициев С.А., Барабаш В.Р. Влияние нейтронного спектра на физико — механические характеристики медных сплавов дисперсионносгареющего типа при облучении в реакторах СМ—2 и БОР —60 // Вопросы атомной науки и техники, Сер.: Материаловедение и новые материалы. - 1992. - вып.2(46). - С.41-50.

11. Zinkle S.J., Nesterova E.V., Barabash V.R., Rybin V.V., Naberenkov A.V. Effect of ion irradiation on the structural stability of the dispersion strengthened copper alloys // J. Nucl.Mater. - 1994. - Vol.202. - P.119-127.

12. Fabritsiev S.A., Barabash V.R., Prokofiev Yu.G., Pokrovsky A.S. Neutron spectrum and transmutation effects on the radiation damage of copper alloys // 6th Int. Conf. on Fusion Reactor Materials: Book of Abstracts. — Stresa, Italy, Sept.27—Oct. 1., 1993. - P. 153.

13. Fabritsiev S.A., Barabash V.R., Prokofiev Yu.G., Pokrovsky A.S. The neutron irradiation induced "400°C embrittlement" of copper alloys // 6th Int. Conf. on Fusion Reactor Materials: Book of Abstracts. — Stresa, Italy, Sept.27 —Oct. 1., 1993. - P. 153.

14. Нестерова E.B., Рыбин B.B., Зинкл С., Барабаш В.Р., Наберенков А.В. Радиационно — стимулированная субзе — ренная структура, формирующаяся в дисперсно — упрочненных медных сплавах при ионном облучении // Труды 2й международной конференции "Радиационное воздействие на материалы ТЯР". — С.-Петербург: ЦНИИ КМ "Прометей", 1990. - часть 1. - С.243-258.