автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Радиационное охрупчивание низколегированных сплавов хрома и сплавов хром-железо при нейтронном облучении

г Б ОД

О С!р. il. ; РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК J ' ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. А.А.Байкова

На правах рукописи

ЧАКИН ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ

Радиационное охрупчивание низколегированных сплавов хрома и сплавов хром-железо при нейтронном облучении

Специальность: 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. А.А.Байкова

На правах рукописи

ЧАКИН ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ

Радиационное охрупчивание низколегированных сплавов хрома и сплавов хром-железо при нейтронном облучении

Специальность. 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Научно-исследовательский институт атомных реакторов

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник В.А.Казаков

Официальные оппоненты:

1?слушая ср| лпизания:

доктор физико-математических наук, профессор Г.Г.Бондаренко

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.К.Шамардин

Научно-производственное объединение "Луч"(г.Подольск)

Ьшнта состоится____1996 года в час. мин

:ра шсс.кпши диссертационного совета Д 003.15.03 в Институте мс1а.1.тур1 ии им. А.Л.Байкова по адресу 117911, ГСП-1, Москва В-334, Ленинский проспект, 49

( .шссертанисй можно ознакомиться в библиотеке Института метал.тур] ии им. г-». А. Байкона

Автрефера/ разослан______1995 г.

\'11)п,ш сскрспфи.тисигртинионжмо ___

■ '»к-т. .юкюр 1с\Н1Г1сских наук ч ^^ В.М.Влипни

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Актуальность проблемы

Одной из основных проблем ядерной энергетики является разработка конструкционных материалов узлов активных зон, способных противостоять совокупному воздействию нейтронного излучения, температуры и теплоносителя. Максимальные проектные рабочие температуры на оболочках твэлов реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БОР-бО, БН-350, БН-600 не превышают 680-710°С. Верхняя температура ограничена вследствие недостаточной жаропрочности аустенитных нержавеющих сталей, используемых в качестве оболочечных материалов. Замена нержавеющих сталей на сплавы хрома позволит поднять рабочие температуры до 800-850°С , что значительно повысит к.п.д. данного типа реактора. Кроме повышенной жаропрочности, сплавы хрома имеют удовлетворительную коррозионную стойкость в жидкометаллических средах, малую активируемость и другие качества, позволяющие считать их перспективными конструкционными материалами ядерной энергетики.

В настоящее время актуальными являются исследования, связанные с разработкой международного термоядерного реактора ( проекты ITER, DEMO и другие). Конструкционные материалы первой стенки и дивертора в нем подвержены мощному потоку высокоэнергетичных нейтронов. Наряду с другими кандидатными материалами ( бериллий, вольфрам, молибден) сплавы хрома также рассматриваются в качестве возможных материалов элементов конструкции ТЯР, обращенных в сторону плазмы.

Однако практическое использование сплавов хрома сдерживается их склонностью к хрупкому разрушению. Поэтому решение проблемы охрупчивания является ключевым в плане возможного применения сплавов хрома в поле нейтронного облучения.

Явление радиационного охрупчивания присуще не только сплавам на основе элементов VIA.группы Периодической таблицы, к которым относится хром, но и некоторым другим материалам, используемым в условиях ионизирующего излучения, например, ферритным сталям. Поэтому всестороннее рассмотрение этого явления, анализ его связи с 'микроструктурными изменениями имеет значение, выходящее за рамки изучения только хромовых сплавов. При таком подходе исследование радиационного охрупчивания сплавов хрома можно рассматривать как вклад

в фундаментальные знания о радиационной повреждаемости кристаллических материалов с ОЦК-решеткой.

Цель работы

Исследовать радиационное охрупчивание как явление, определяющее радиационную стойкость сплавов хрома применительно к условиям эксплуатации реактора на быстрых нейтронах и проекта термоядерного реактора с жйдкометаллическими теплоносителями, и выработать пути его преодоления.

Научная новизна

В настоящей диссертации впервые получены экспериментальные результаты по влиянию нейтронного облучения в широких температурно-дозных интервалах на изменение механических свойств и микроструктуры низколегированных сплавов хрома и высоколегированных сплавов на основе системы Сг-Ре:

- обнаружено радиационное охрупчивание сплавов хрома в процессе нейтронного облучения при 70-920°С до флюенсов 2х1024 -• 9.2х1026 н/м2 (Е>0.1 МэВ): по результатам механических испытаний на растяжение температура хрупко-вязкого перехода Тх возрастает до 200-700°С;

- получены дозно-температурные зависимости изменения механических свойств сплавов хрома, позволяющие оценить ресурс материала под облучением;

- установлена прямопропорциональная зависимость для низколегированных сплавов хрома радиационного охрупчивания от радиационного упрочнения, вызванного радиационными дефектами (дислокационными петлями, вакансионными порами); для сплавов Сг-Ре -от количества образовавшейся а-фазы, обладающей повышенной хрупкостью;

- обнаружено радиационно-стимулированное разрушение дислокационной ячеистой структуры в сплавах'хрома при пониженных температурах облучения (70-400°С);

- обнаружена радиационно-индуцированная сегрегация в сплавах Сг-Ре, заключающаяся и обогащении стоков атомам» железа, показано непосредственное влияние сегрегации на интенсивность образования а-фазы и зависимость этого процесса от содержания железа в сплаве;

- обнаружена зависимость радиационного охрупчивания от содержания легирующих элементов ( Ре, А1, Мп, Мо), показана возможность снижения радиационного охрупчивания путем подавления образования а-фазы микролегированием;

- предложены и экспериментально обоснованы способы снижения радиационного охрупчивания сплавов хрома путем оптимизации температурного режима облучения или с помощью кратковременного послереакторного отжига с последующим снятием поверхностного слоя.

Установлено, что радиационное охрупчивание действительно является определяющим радиационную стойкость сплавов хрома и ограничивает применение этих материалов в условиях ионизирующего излучения; достигнут определенный прогресс в понимании явления радиационного охрупчивания сплавов хрома, предложены пути преодоления охрупчивания.

Практическая ценность работы

Данные по влиянию нейтронного облучения на кратковременные механические свойства сплавов хрома позволили оценить ресурс работы тепловыделяющих элементов с оболочками из этих сплавов. Результаты исследований радиационной стойкости сплавов ВХ-2К и Х65ЦЧ были использованы в качестве радиационного обоснования в технических проектах экспериментальных твэлов ( чертежи М065СБ, М066СБ, М068СБ, 5Б. 1994.000.00СБ), оболочки которых изготавливались из этих сплавов.

Экспериментальные данные по радиационной повреждаемости сплавов хрома вошли в банк данных, создание которого является одним из направлений деятельности Министерства Российской Федерации по атомной энергии (Приказ Министра №59 от» 20.02.1995 г. о разработке отраслевого раздела Федеральной целевой программы "Национальная технологическая база").

Основные положения диссертации, выносимые автором на защиту

1: Дозно-температурные зависимости радиационного упрочнения и охрупчивания сплавов хрома при нейтронном облучении в интервале флюенсов 2x1024 - 9.2x1026 н/м2 (Е>0.1 МэВ) и температур 70-920°С. 2. Экспериментальные данные о влиянии легирования Ре, А1, Мп, Мо на степень радиационного охрупчивания сплавов Сг-Ре.

3. Экспериментальные данные о зависимости радиационного охрупчивания

низколегированных сплавов хрома от радиационного упрочнения, вызванного радиационными дефектами (дислокационными петлями, порами), сплавов Сг-Ре - от количества хрупкой интерметаллидной о-фазы.

4. Экспериментальное обоснование вывода, что наивысшим сопротивлением радиационному охрупчиванию обладают сплавы Сг-Ре с содержанием (3-10)% и (60-65)% Ре.

5. Обнаруженное явление радиационно-стимулированного разрушения ячеистой структуры при пониженных температурах облучения.

6. Обнаруженное явление радиационно-индуцированной сегрегации, приводящее к обогащению стоков точечных дефектов атомами железа и характер ее влияния на интенсивность образования ст-фазы в зависимости от содержания железа.

7. Экспериментальные данные о влиянии кратковременного отжига и снятия поверхностного слоя на восстановление пластичности облученных сплавов хрома.

Вклад автора

Непосредственно автором в процессе выполнения работы:

- сделан литературный обзор отечественных и зарубежных данных, на основании которого сформулированы цель и задачи работы;

- проведена подготовка и облучение в реакторах СМ-2 и БОР-бО восьми облучательных устройств с образцами сплавов хрома;

- проведены послереакторные1 материаловеяческие исследования ■ облученных образцов сплавов хрома с использованием комплекса методик

горячей матриаловедческой лаборатории ( механические испытания, гидростатическое ■ взвешивание, металлография, определение микротвердости), а также тонкие структурные исследования (рентгеновский фазовый анализ, растровая и трансмиссионная электронная микроскопия, Оже-спекгроскопия);

получены и проанализированы экспериментальные дозно-температурные зависимости изменения механических свойств и распухания сплавов хрома;

- получены и проанализированы экспериментальные данные по влиянию легирования железом, алюминием, марганцем и другими элементами на степень радиационною охрупчивания сплавов хрома; выбраны сплавы, в наименьшей степени склонные к охрупчиванию под облучением;

- получены и проанализированы экспериментальные данные по влиянию облучения на изменение микроструктуры сплавов хрома; предложены полуэмпирические модели, связывающие степень охрупчивания сплавов с параметрами - радиационных дефектов и количеством образующейся ст-фазы;

- предложены и экспериментально обоснованы пути снижения радиационного охрупчивания сплавов хрома.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы и изложена на 156 страницах машинописного текста, включая 61 рисунок, 13 таблиц и список литёратуры из 167 наименований.

АПРОБИРОВАНИЕ

Основные результаты, приведенные в диссертации, доложены на:

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

- 3-й Всероссийской конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", Санкт-Петербург, сентябрь 1994;

- 1-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, октябрь 1986;

- 3-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, октябрь 1992;

- 7-й Международной конференции по материалам термоядерных реакторов, Обнинск, сентябрь 1995.

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации автором опубликовано 8 работ.

. • г

* *

В первой главе автором проведен обзор литературных данных по теме диссертации. В обзор включены сведения о хроме как основе для создания конструкционных материалов ядерной и термоядерной энергетики. Хром, обладая такими качествами как низкая активируемость, удовлетворительные ядерно-физические свойства, хорошая жаропрочность, коррозионная стойкость, является перспективным металлом для использования в поле нейтронного облучения. Склонность к хладчдаомкости предполагает

разработку сплавов хрома, пластичных при пониженных температурах. Низколегированные сплавы хрома ( такие как ВХ-2К) легированы небольшим (до 1%) количеством элементов химически активных к газовым примесям, в результате чего улучшение пластичности достигается за счет очистки твердого раствора путем связывания примесей в фазы внедрения. Дополнительный вклад в пластичность дает ячеистая структура, формируемая специальной термомеханической обработкой. Другой путь -легирование хрома вторым элементом в количестве несколько десятков процентов, например, железом. Однако в этом случае появляется новый охрупчивающий фактор - интерметаллидная сг-фаза, образующаяся в системе Сг-Ре. Проанализированы вопросы образования радиационных дефектов в материалах с ОЦК-решеткой, образования и стабильности фаз в кристаллических материалах при облучении. Явление низкотемператуного радиационного охрупчивания (НТРО) рассмотрено на примерах низколегированных сталей и молибденовых сплавов. Отмечается полное отсутствие экспериментальных данных по влиянию нейтронного облучения на повреждаемость сплавов хрома.

В заключительной части главы сформулированы задачи диссертационной работы:

получить экспериментальные дозно-температурные -зависимости изменения механических свойств сплавов хрома при нейтронном облучении;

- исследовать влияние параметров облучения, легирования сплавов на их склонность к радиационному охрупчиванию;

- исследовать влияние радиационного дефекто- и фазообразования на радиационное охрупчивание сплавов хрома;

провести поиск экспериментальных возможностей снижения радиационного охрупчивания сплавов хрома.

Во второй главе представляется описание исследуемых материалов, которыми являлись: - низколегированный сплав ВХ-2К, содержащий в качестве легирующих добавок 1_а, Та, V в количестве не более \% масс, газовых примесей (С, О, N. Н) - 0.02-0.03% масс;

- сплавы Сг-Ре,* содержащие 'от 10 до 60% Ре, дополнительно легированные добавками А1, Мп, Мо, 2г, У в суммарном количестве 0.4-5% масс на сплав. '

Представляется описание методики облучения образцов н реакторах СМ-2 и БОР-бО. В реакторе СМ-2 облучение проводилось в воде при 70°С до флюснсов (2.7-4.7)хН)"'4 и/м: (00.1 МэВ) , в БОР-бО - и натрии и гелии 1 интервале температур 400-920"С и флюенсо» (0.5-9.2) х102<> н/м" (С>0.| М эВ) Представляется комплекс методик послереакторных материа.то»едчески\

исследований, включающий механические испытания на растяжение, гидростатическое взвешивание, микротвердость, оптическую, растровую (РЭМ) и трансмиссионную (ТЭМ) электронную микроскопию, Оже-спектроскопию.

Обосновывается необходимость использования широкого круга

методов послереакторных исследований для получения завершенной феноменологической картины радиационных эффектов в сплавах хрома.

Описываются процессы приготовления образцов для тонких структурных исследований (РЭМ, ТЭМ, Оже-спектроскопия), подчеркивается необходимость применения специальных мер для предотвращения и удаления загрязненности с образцов.

В третьей главе излагаются основные результаты исследования радиационного упрочнения и охрупчивания низколегированного сплава хрома ВХ-2К, изменений его микроструктуры при облучении или отжиге.

После низкодозного облучения при 70°С в реакторе СМ-2 наблюдается упрочнение сплава, выражающееся в увеличении предела текучести ст0,2 на величину до 170% от исходного уровня, и охрупчивание сплава вследствие сдвига температуры хрупко-вязкого перехода Тх вправо по оси температур до 200°С (рис.1). Облучение в реакторе БОР-бО при 600°С флюенсом 2.8х1026 н/м2 (Е>0.1 МэВ) приводит к еще более сильному упрочнению сплава ВХ-2К и росту Тх уже до 600°С.

На рис. 2 представлена зависимость радиационного упрочнения до0>2 и Тх сплава ВХ-2К от флюекса нейтронов для температур облучения 650-750°С, из которой следует, что вплоть до максимальных флюенсов -1x1027 н/м2 продолжается монотонный рост упрочнения и охрупчивания.

На рис. 3 показана зависимость &и0 2 и Тх о? температуры облучения ( все величины нормированы к флюенсу 3x1026 н/м2 ). В интервале 620-700°С происходит резкое снижение дст0 2 и Тх, причем эти зависимости коррелируют между собой. Для Тисп=750-800°С наблюдается максимум, связанный с процессами динамического деформационного старения, протекающими в сплаве при этих температурах.

б

Рис. 1. Влияние облучения на температурную зависимость общего относительного удлинения 60 (а) и предела текучести <т0,2(б) сплава ВХ-2К: О - исходное состояние, отжиг 1050°С, 1ч; Л - облучение при 70°С до флюенса 4.7x10м н/м2; • - облучение при 600°С до флюенса 2.8х1026 н/м2; - абсолютно хрупкое разрушение.

Рис.2. Зависимость радиационного упрочнения д<т0,2 (а) и Т„ (б) сплава ВХ-2К от флюенса нейтронов для То6л=650-750°С.

600 •

я

В

400 ■

Э

ь <

200 • 0 ■

а

900

800

700

О 600 е

Н 500 400 300 200

200 400 600 800 1000

• б

Рис.3. Зависимость радиационного упрочнения дао,2 (а) и Тх (б) сплава ВХ-2К от температуры облучения ( нормировано к флюенсу

ЗхЮ2Г> н/м2, Т,:с„=Тобл).

I — I

Исследование влияния длительного отжига на механические характеристики сплава ВХ-2К показало, что с увеличением температуры или длительности отжига в интервале температур 750-1200°С происходит его разупрочнение и увеличение пластичности. Это связано с отжигом дислокационной структуры и коагуляцией фаз внедрения.

В исходном состоянии сплав ВХ-2К обладает развитой дислокационной ячеистой структурой с размером ячеек 0.75 мкм. Облучение при пониженных температурах 70 и 400°С приводит к образованию характерных радиационных дефектов в виде "черных точек" и дислокационных петель. При То6л=70°С и флюенсе 2.5х1024 н/м2 размер их 3-10 нм, плотность 5х1016 см"3. При более высоких температурах (500-900°С) образуются вакансионные поры. Размер пор при ТоЬ,=600°С и флюенсе 2.8х1026 н/м2 составляет 6 нм, плотность 2х1016 см"3. Представляет интерес явление радиационного отжига дислокаций и постепенного, с ростом температуры облучения, разрушения ячеистой структуры. Так, после облучения при 70°С и флюенсе 2.5х1024 н/м' свободные дислокации практически отсутствуют ( хотя до облучения их плотность составляла 10псм"2), а размер ячеек возрос до 1.5 мкм.

Показано, что распухание сплава ВХ-2К при всех исследованных температурах облучения и флюенсах до - 9x10?6 н/м2 не превышает 2-2.5%.

Проанализировано влияние различных факторов на Тх сплава ВХ-2К. Наиболее сильно на Тх влияет дополнительное упрочнение да0 2, вызываемое радиационными дефектами, и параметр <1^ , характеризующий размер ячеек. При облучении, если отсутствует достаточное количество стоков для точечных дефектов, образование радиационных дефектов неизбежно. Они являются эффективными барьерами для движущихся дислокаций и приводят к радиационному упрочнению д<т0,2. В результате дополнительного упрочнения происходит сдвиг Тх в область.положительных температур. Кроме того, разрушение ячеистой структуры вследствие радиационно-усиленной диффузии приводит к увеличению с1,ф и вносит свой вклад в охрупчивание сплава ВХ-2К.

Сплав ВХ-2К является типичным представителем низколегированных сплавов хрома. Другие низколегированные сплавы (ХР-3, ВХМ) Имеют аналогичный характер радиационного повреждения.

В четвертой главе представлены основные результаты исследования радиационного охрупчивания сплавов Ст-Ие.

Обладающий в исходном состоянии хорошими механическими свойствами сплав Х50 после отжига при 700°С в течение 1000 ч подвержен хрупкому разрушению до 400°С. Облучение при 500 и 730°С до флюерсов

2.0x10"'' и 2.1х1026 н/м2 увеличивает Тх уже до 600°С. Причина радиационного охрупчивания сплава при пониженных и повышенных температурах различна. В процессе облучения при 500°С в микроструктуре происходит образование характерного "мозаичного узора", состоящего из малых (5-8 нм) фрагментов. Эти фрагменты являются так называемыми областями несмешиваемости, состоящими из двух несмешиваемых твердых растворов, один, обогащенный по хрому, другой - по железу. Образование областей несмешиваемости соответствует диаграмме состояния Сг-Ре. Упрочнение, вызываемое этими областями, приводит к охрупчиванию сплава Х50. Длительный отжиг или облучение при температурах ~700°С вызывают образование значительных количеств интерметаллидной а-фазы ( что также соответстствует диаграмме Сг-Ре). о-фаза обладает природной повышенной хрупкостью, поэтому появление ее всегда вызывает охрупчивание Материала. Показано, что образовавшиеся частицы ст-фазы сами подвержены радиационному повреждению, в результате чего в их структуре образуются субвыделения. Это еше в большей степени усиливает хрупкость частиц ст-фазы и, соответственно, всего сплава. При содержании железа менее или более 50% радиационное охрупчивание сплавов Сг-Ре несколько снижается (рис.4). Это связано с меньшим количеством ст-фазы, образующейся в сплавах с таким составом под облучением. Наименьшую склонность к радиационному охрупчиванию показал сплав Х90ЦЧ, содержащий 10% Ре. Его Т, составляет 200°С.

700

ВХ-2К Х90ЦЧ Х65ЦЧ Х50 Х40ЦЧ

Рис.4. Влияние легирования Ре на Тх облученных сплавов хрома: ВХ-2К, То6л=600°С, Р=2,8х1026 н/м2; Х90ЦЧ, То6л=640-760°С, Р=4.7х1026 н/м2; Х65ЦЧ, То6л=770-910°С, Р=5.8х1026 н/м2; Х50,То6л=730°С, Р=2,1х1026 н/м2; Х40ЦЧ, То6л=790°С, Р=2.4х1026 н/м2

Исследование поверхности разрушения сплавов Сг-Ре методом РЭМ проведено на сплаве Х65ЦЧ, облученного при 770-910°С до флюенса 5.8х1026 я/м2. В области хрупкого разрушения наблюдаются ступени скола в виде «арактерного "ручьистого" узора, что свидетельствует о хрупком знутризеренном характере разрушения. Повышение температуры испытания 1риводит к появлению на части излома ямок отрыва, которые характерны 1Ля пластичного разрушения. С повышением температуры доля ямок отрыва возрастает, однако сохраняются и участки с "ручьистым " узором, что в ;овокупностц характеризует смешанный характер разрушения.

Исследование радиационно-ик уцированной сегрегации железа проводили относительно наружной поверхности облученного'образца сплава гипа Х65 (рис.5).

Содержание Ре на поверхности под облучением возросло с 35 до 50%. Глубина обогащенного слоя составила' 80-100 нм. Наружная поверхность является наиболее мощным стоком для точечных дефектов. Предполагается, гго аналогичным образом происходит обогащение атомами железа и внутренних стоков. Поэтому радиационно-индуцированная сегрегация «селеза непосредственно влияет на характер радиационной повреждаемости :плавов Сг-Ре.

Рис. 5. ?адиационно-индуцированная сегрегация Ре в сплаве Х6410ГЧ в результате облучения при 750°С до 3.8х1026 н/'м2. Оже-спектроскопия.

55

30

0 20 40 60 80 100 120 140 Расстояние от поверхности, мм

Обогащение внутренних стоков ( дислокации, границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры) атомами железа и достижение на них предела растворимости железа в хроме приводит к образованию а-фазы. Все сплавы Сг-Ре делятся на две группы: с содержанием Ре до 50% и более 50%. В сплавах с содержанием Ре до 50% сегрегация ускоряет фазообразование, более 50% - замедляет его. Образование а-фазы можно рассматривать как баланс процессов "образование фазы" - "ее растворение". В зависимости от складывающихся термодинамических условий, легирования и других факторов, сдвиг может происходить в ту или другую сторону. В сплавах, содержащих менее 50% Ре, сегрегация сдвигает баланс в сторону образования фазы, в сплавах, содержащих более 50% Ре, - в сторону ее рассасывания. Дополнительное .микролегирование влияет на степень радиационного охрупчивания сплавов Сг-Ре через воздействие на процесс образования о-фазы ( тгбл.1). Показано, что легирование А] подавляет фазообразование и снижает Тх только сплавов с содержанием более 50% Ре. Согласно проведенным ТЭМ-исслгдованиям, в микроструктуре облученного сплава Х35Ю5ЦЧ а-фаза отсутствует. В сплавах с содержанием менее 50% Ре влияние дополнительного легирования А1 отсутствует. Морфология частиц а-фазы при этом практически не изменилась. Влияние легирования Мп и Мо исследовано для сплавов с содержанием Ре до 50%. Сплав Х64ЮГЧ охрупчивается в меньшей степени, чем аналогичный сплав Х62ЮЗЦЧ без марганца. В микроструктуре добавка Мп приводит к снижению содержания ст-фазы и уменьшению размера частиц с 1 до 0.3 мкм. Сплав Х65МЧ, содержащий Мо, подвержен сильному радиационному охрупчиваншо: его Тх достигает 600°С. В микроструктуре происходит интенсивное образование а-фазы. Размер частиц достигает 3 мкм. Таким образом, показано, что молибден является активным стабилизатором а-фазы. Механизм влияния микролегирования на процесс фазообразования в сплавах Сг-Ре не совсем ясен. Высказано предположение, что небольшие добавки легирующих элементов непосредственно воздействуют на радиационно-индуцированну» сегрегацию железа,, ускоряют ли£)о замедляют ее. Вероятно, А1 и Мп замедляют сегрегацию, Мо - ее ускоряет.

Наиболее интересным эффектом чисто радиационной природы является образование а-фазы в сплаве Х90ЦЧ. В соответствии с диаграммой Сг-Ре в данной температурно-концентрационной области существование второй фазы невозможно. Однако после облучения при 640-760°С до флюенса 4.7х1026 н/м2 методами рентгеновского фазового анализа и ТЭМ было зафиксировано присутствие небольших количеств а-фазы. В микроструктуре

Связь радиационного охрупчивания с количеством ст-фазы, образовавшейся в сплавах С г- Ре после облучения

Сплав Т0бл> °С Р, хЮ" 26 ) н/м2 Количество а- фазы по результатам рентгеновского фазового анализа, отн.ед. Морфология ст-фазы по результатам ПЭМ-исследований т„ °с

Х90ЦЧ 640-760 4.7 0.01 редкие малые частицы 200

Х65ЦЧ 770-910 5.8 0.6 много крупных частиц 400

Х62ЮЗЦЧ 700-910 5.6 0.5 много крупных частиц 400

Х64ЮГЧ 750 3.8 0.3 скопление мелких частиц 300

Х65МЧ 740 3.7 1 очень много крупных частиц 600

Х50 730 2.1 1 очень много крупных частиц 600

Х40ЦЧ 790 2.4 0.1 отдельные крупные частицы 400

Х35Ю5ЦЧ 740 2.2 0 частицы ОТСУТСТВУЮТ 200

облученного сплава видны частицы размером 0.1-0.2 мкм, окруженные обедненными зонами шириной 0.2-0.3 мкм. В областях между частицами и обедненными зонами присутствуют радиационные дефекты дислокационной петли и вакансионные поры. Их размер 20-40 им, распределение по структуре неравномерное. Высказывается предположение, что радиационно-индуцированное образование ст-фазы в сплаве Х90ЦЧ играет позитивную роль с точки зрения его радиационной стойкости. Появление дополнительных стоков для точечных дефектов в виде частиц ст-фазы приводит к подавлению образования дислокационных нетель п пор. При лом количества фазы недостаточно ;ин того, чтобы тюшую роль начал шрагь фактор, связанный с охрупчипаюшим влиянием ст-ф.пы.

Утверждается, что оптимизацией содержания железа и режимов исходной термодинамической обработки, вероятно, можно добиться полного подавления образования радиационных дефектов. В результате сопротивление радиационному охрупчиванию сплавов с содержанием 3-10% Ре еще более возрастет.

В заключительной части главы перечисляются сплавы Сг-Ре, обладающие по результатам настоящей работы минимальной склонностью к радиационному охрупчиванию. Это сплавы Х90ЦЧ, Х64ЮГЧ, Х35Ю5ЦЧ.

На основании проведенных экспериментальных исследований получено . соотношение:

дТх=А-(Ш)1/2+В.М,„ (1),'

плотность и размер радиационных дефектов, соответственно; количество а-фазы;

коэффициенты, зависящие от вида сплава, параметров облучения и т.д.

При отсутствии а-фазы, как, например, в низколегированных сплавах хрома, работает лишь первое слагаемое, и степень охрупчивания прямо пропорциональна радиационному упрочнению, вызываемому радиационными дефектами с параметрами N. <1. В сплавах Сг-Ре, наоборот, отсутствуют радиационные дефекты, поэтому главную роль играет второе слагаемое. Сплав Х90ЦЧ занимает промежуточное положение, поскольку в нем образуются и дефекты, и а-фаза.

В пятой главе приводятся рекомендации по снижению радиационного охрупчивания сплавов хрома . Анализ причин радиационного охрупчивания низколегированных сплавов хрома показал, что снижения охрупчивания можно достигнуть лишь путем непосредственного воздействия, на процесс образования радиационных дефектов. Это возможно при глубокой ( до величин суммарного Содержания примесей -0.001% масс) очистке хрома. Поскольку роль примесных атомов в образовании зародышей радиационных дефектов значительна, уменьшение их содержания в исходном состоянии должно приводить к снижению количества образующихся дефектов. Другая возможность заключается в специальном легировании с целью создания большого количества стоков для точечных дефектов. Однако слишком большое дополнительное легирование может вызвать твердорастворное упрочнение, которое ухудшает пластичность. Идеальный вариант - когда

где N. а -М„ -А, В -

легирующие добавки связаны в фазы, а количество и размер частиц таковы, что, не приводя к сильному охрупчиванию, они в то же время служат эффективными стоками для точечных дефектов. Примером такого типа легирования является сплав Х90ЦЧ, рассмотренный выше. В сплавах Сг-Бе определяющую роль в их радиационной стойкости играет образование а-фазы. Вследствие этого дополнительное легирование должно быть направлено на подавление температурно-концентрационной области ее существования. В качестве такого легирования можно использовать /1 и Мп. Круг высоколегированных сплавов не ограничивается системой Сг-Ре. Определенной перспективой обладают такие двойные системы на основе хрома, как, например, Сг-Мп, Сг-У, Сг-Мо.

Кроме легирования, существуют другие возможности снижения радиационного охрупчивания сплавов хрома. Первая, это оптимизация температурного режима облучения. Она основывается на различных скоростях радиационного повреждения в зависимости от температуры облучения. Установлено, что при температурах 680-720°С сплав ВХ-2К обладает минимальной повреждаемостью. Поэтому, если этот сплав будет эксплуатироваться преимущественно в температурной области 680-720°С, то его Тх возрастет в наименьшей степени. Другая возможность заключается во влиянии кратковременного высокотемпературного отжига на восстановление свойств облученныхсплавов. Исследования показали, что при температурах одночасового отжига облученных сплавов хрома 900-1000°С в значительной степени происходит возврат микротвердости и механических свойств. В микроструктуре происходит отжиг радиационных дефектов и рассасывание частиц в-фазы. При испытании на растяжение одного только отжига недостаточно для полного возврата общего относительного удлинения 50 . Кроме объемных, необходимо удалить и поверхностные дефекты, образующиеся в процессе облучения и служащие концентраторами напряжений. Это достигается снятием поверхностного слоя на глубину 20-50 мкм, например, .электрополировкой в растворе ЫаОН. Хотя и в этом случае .полного возврата свойств не происходит, однако 50 сплава ВХ-2К, облученного при 600°С, при комнатной температуре составляет уже 3%. Причинами неполного возврата могут быть радиационный отжиг дислокационной ячеистой структуры и образование элементов-трансмутантов.

В заключительной части главы представлена сравнительная склонность тугоплавких металлов с ОЦК-решеткой и сплавов на их основе к радиационному охрупчиванию. Элементы V, N1), Та, Сг, Мо, АУ, обладая сходной структурой внешних электронных оболочек, имеют, соответственно,

и сходные физические свойства. В целом, сплавы на основе элементов VIA группы менее склонны к пластическому деформированию и, видимо, более склонны к радиационному охрупчиванию. Подходы к легированию элементов VA и VIA групп различны. Поскольку металлы VA группы V, Nb, Та достаточно пластичны, их легирование направлено на достижение других целей, например, повышение жаропрочности. Легирование металлов VIA группы Cr, Mo, W, по своей природе более склонных к низкотемпературной хрупкости, должно быть направлено на улучшение пластичности. Для существенного изменения состояния электронных оболочек этих элементов необходимо их легирование значительным количеством второго элемента. При этом иногда при легировании одновременно возрастает и прочность, и пластичность, то есть наблюдается так называемый "рениевый эффект", наиболее ярко проявляющийся в сплавах Mo-Re и W-Re. Однако при высоком легировании при облучении повышается вероятность образования второй фазы, что становится новым серьезным фактором ухудшения пластичности. Против образования нежелательных фаз необходимо использовать дополнительное микролегирование.

Выводы и рекомендации

1. Впервые исследованы низколегированный сплав ВХ-2К и сплавы на основе системы Cr-Fe, дополнительно легированные небольшим количеством Al, Mn, Mo, Zr, Y, после нейтронного облучения при температурах 70-920°С до флюенсов 2х1024 - 9.2х1026 и/и2 (Е>0.1 МэВ).

2. Обнаружено низкотемпературное радиационное охрупчивание сплавов хрома. Результаты механических испытаний на растяжение свидетельствуют, что температура хрупко-вязкого перехода Тх сплавов возрастает до 200-700°С в зависимости от легирования и параметров облучения. В наибольшей степени подвержены радиационному охрупчиванию сплавы ВХ-2К и Х50.

3. Показано, что радиационное охрупчивание низколегированного сплава ВХ-2К вызывается его радиационным упрочнением вследствие образования радиационных дефектов (дислокационных петель, вакансионных пор). Дополнительным фактором охрупчивания является радиационно-стимулироаанное разрушение ячеистой структуры, происходящее даже при пониженных температурах облучения (70-400°С). Причина радиационного охрупчивания сплавов Cr-Fe существенно зависит от температуры облучения: при пониженных температурах (400-500°С) -

образование областей несмешиваемости, при повышенных (550-920°С) -хрупкой а-фазы.

4. Получены дозно-температурные зависимости радиационного упрочнения и охрупчивания сплавов хрома для температур облучения 70-920°С и флюенсов 2x10м - 9.2х1026 н/м2 (Е>0.1 МэВ).

5. В сплавах Cr-Fe обнаружена радиационно-индуцированная сегрегация, приводящая к обогащению стоков точечных дефектов атомами железа. Радиационно-индуцированная сегрегация непосредственно влияет на процесс образования а-фазы в сплавах Cr-Fe: в сплавах с'содержанием до 50% Fe она ускоряет фазообразование, более 50% - замедляет его. Показана прямая зависимость радиационного охрупчивания • сплавов Cr-Fe от количества образующейся а-фазы.

6. Экспериментально показано, что наименьшей склонностью к радиационному охрупчиванию обладают сплавы Х90ЦЧ, Х64ЮГЧ, Х35Ю5ЦЧ, содержащие, соответственно, 10, 35 иб0% Fe. дополнительно легированные небольшими добавками Al, Mn, Zr, Y. Положительную роль в подавлении температурно-концентрационной области существования а-фазы в сплавах Cr-Fe играют микродобавки А1 и Мп.

7. Экспериментально обоснованы способы снижения радиационного охрупчивания сплавов хрома. Первый связан со стабилизацией температурного режима облучения сплава ВХ-2К в области минимума радиационного повреждения (680-720°С). Второй основан на возврате свойств облученных сплавов хрома в процессе кратковременного отжига при 900-1000°С с последующим снятием поверхностного слоя на глубину 20-50 мкм.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Чакин В.П., Казаков В.А. Радиационная стойкость малолегированных сплавов хрома. - Препринт НИИАР. №7 (790).Димитровград, 1990, 22с.

2. Чакин В.П., Казаков В.А. и др. Поведение а-фазы при нейтронном облучении сплавов системы Cr-Fe. - Препринт НИИАР. №21 (824). Димитровграа, 1991,16 с.

3. Чакин В.П., Казаков В.А. и др. Радиационная стойкость сплавов на основе Cr-Fe. - Препринт НИИАР. №7 (834). Димитровград, 1992, 20с.

4. Чакин- В.П., Гончаренко Ю.Д., Казаков В.А. Радиационно-стимулированное образование а-фазы в сплазах Cr-Fe. - Тезисы доклада на Третью межотраслевую конференцию по реакторному

материаловедению, 27-30.10.1992, Димитровград.- В сб. тезисов ISBN 5-85165-078-8, Димитровград, 1992, с.60.

5. Чакин В.П., Казаков В А. Влияние нейтронного облучения в широких интевалах температур и флюенсов на изменение механических свойств и структуры некоторых сплавов хрома. - Тезисы доклада на конференции "Радиационное воздействие на материалы ТЯР" 2628.09.1994, Санкт-Петербург.

6. Казаков В.А., Смирнов A.B., Чакин В.П. и др. Способ эксплуатации тепловыделяющей сборки ядерного реактора. - Авт.свидет. СССР №1220494 от 22.11.1985 г,

7. Чакин В.П., Мочалов Б Ar, Гаврилин С.С. Способ эксплуатации тепловыделяющего элемента ядерного реактора. - Авт. свидет. СССР №1459505 от 15.10.1988 г.

8. Chatón V.,. Kazakov V. et al. Formation of сг-phase in Cr-Fe alloys under irradiation. - Report presented to the 7th International Conference on Fusion reactor Materials. Obninsk, September 25-29, 1995, Russia.

Владимир Павлович Чакин

РАДИАЦИОННОЕ ОХРУПЧИВАНИЕ НИЗКОЛЕ1 ИРОВАННЫХ СПЛАВОВ ХРОМА И СПЛАВОВ ХРОМ-ЖЕЛЕЗО ПРИ НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ

Подписано в нечаи. 23.М.95. Формат60х90 1/16

Печать офсетная Печ.л. 1,5. Уч.-ичл. .1. 1.1 Тираж ЮОэкз. 5аклип.№2363 Бесплатно.

Ошечамно н I НИ РФ Научно-исследовательский институт ломных реакторов, 433510,1.Димитровград-10, НИИАР