Исследование водородостойкости и коррозионной стойкости сплава Zr-1Nb, легированного титаном методом высокодозовой имплантации низкоэнергетических ионов
Выпускная квалификационная работа направлена на исследование возможности повышения водородостойкости и коррозионной стойкости сплава Zr-1Nb путем формирования модифицированного поверхностного слоя методом высокодозовой низкоэнергетичной ионной имплантации титана.
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 14
Глава 1. Литературный обзор……………………………………………………………………….. 17
1.1. Коррозия циркониевых сплавов на воздухе и в водяном паре ………………. 17
1.1.1. Окисление циркония …………………………………………………………………………… 18
1.1.2. Механизмы коррозии. Равномерная коррозия………………………………………. 19
1.1.3. Нодулярная коррозия ………………………………………………………………………….. 21
1.1.4. Теневая коррозия ………………………………………………………………………………… 23
1.2. Модифицирование поверхности и покрытия для защиты циркониевых
сплавов от высокотемпературной коррозии………………………………………………….. 29
Глава 2. Материалы и методы исследования ………………………………………………… 38
2.1. Объект исследования …………………………………………………………………………… 38
2.2. Экспериментальная установка и система формирования
высокоинтенсивных пучков ионов с использованием плазмы вакуумно-дугового
разряда ………………………………………………………………………………………………………… 40
2.3. Насыщение водородом из газовой фазы ………………………………………………. 42
2.4. Высокотемпературное окисление ………………………………………………………… 43
2.5. Рентгеноструктурный анализ ………………………………………………………………. 44
2.6. Сканирующая электронная микроскопия …………………………………………….. 45
2.7. Анализ механических и трибологических свойств ……………………………….. 46
2.8. Оптическая спектрометрия высокочастотного тлеющего разряда ………… 47
Глава 3. Полученные результаты и их обсуждение……………………………………….. 49
3.1. Структура и состав сплава Zr-1Nb, подвергнутого ВНИИ титана …………. 49
3.2. Кинетика наводороживания сплава Zr-1Nb имплантированного титаном 51
3.3. Структура и распределение элементов в наводороженных образцах …….. 52
3.4. Коррозионный привес …………………………………………………………………………. 55
3.5. Фазовый состав окисленных образцов …………………………………………………. 57
3.6. Микроструктура и распределение элементов в окисленных образцах …… 58
3.7. Механические свойства модифицированного сплава после окисления …. 60
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и ресурсосбережение
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 62
4.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования ………………………. 62
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений……………………………………….. 64
4.2. SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………… 65
4.3. Планирование научно-исследовательских работ ………………………………….. 66
4.3.1. Структура работ в рамках научного исследования ……………………………….. 66
4.3.2. Определение трудоемкости выполнения работ…………………………………….. 67
4.4. Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………………… 70
4.4.1. Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………………………… 71
4.4.2. Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ …………………………………………………………………………. 72
4.5. Основная заработная плата исполнителей темы …………………………………… 72
4.5.1. Дополнительная заработная плата исполнителей темы ………………………… 74
4.6. Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления)…………….. 75
4.7. Накладные расходы …………………………………………………………………………….. 76
4.8. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта ……. 76
4.9. Определение ресурсной (ресурсосберегающей) эффективности
исследования ……………………………………………………………………………………………….. 77
Вывод по разделу «финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение»…………………………………………………………………………………….. 78
Глава 5. Социальная ответственность …………………………………………………………… 79
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 79
5.1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………. 79
5.1.1. Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ……………………………………………………………… 79
5.1.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ……………………………………………………………………………………………… 81
5.2. Производственная безопасность ………………………………………………………….. 82
5.3. Анализ опасных и вредных производственных факторов …………………….. 83
5.3.1. Производственный шум ………………………………………………………………………. 83
5.3.2. Промышленная санитария …………………………………………………………………… 84
5.3.3. Микроклимат………………………………………………………………………………………. 84
5.3.4. Расчет искусственной освещенности …………………………………………………… 86
5.3.5. Электробезопасность …………………………………………………………………………… 89
5.3.6. Пожаровзрывобезопасность ………………………………………………………………… 92
5.4. Экологическая безопасность ……………………………………………………………….. 94
5.5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 95
Выводы по разделу «Социальная ответственность» ……………………………………… 96
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 97
Список литературы ……………………………………………………………………………………… 99
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 113
Сплавы на основе циркония используются во всем мире в качестве
основного конструкционного материала атомных энергетических реакторов. Это
объясняется низким сечением захвата тепловых нейтронов, высокой
температурой плавления, высокой коррозионной стойкостью в воде при
температуре 280 – 350 ˚С. Однако опыт эксплуатации ядерных энергетических
реакторов показал, что циркониевые сплавы подвержены коррозии и
водородному охрупчиванию [1, 2]. Водород выделяется в результате радиолиза
воды и реакции коррозии между цирконием и водой при эксплуатации
реакторов. При достижении локальной или общей критической концентрации
водорода в сплаве происходит охрупчивание оболочек тепловыделяющих
элементов, вызванное выпадением гидридов [3, 4]. Ввиду этого,
разрабатываются и исследуются новые сплавы на основе циркония для
повышения их функциональных свойств [5-9]. Хотя оболочки тепловыделяющих
элементов (ТВЭЛов) из циркониевых сплавов достаточно устойчивы к коррозии
и окислению при нормальных условиях эксплуатации, они не могут обеспечить
защиту легководных реакторов в условиях аварии с потерей теплоносителя.
Ускоренная реакция коррозии в водяном паре при температуре 1100 – 1200 °С
приводит к образованию взрывоопасного водорода и ухудшению механических
свойств оболочек ТВЭЛов. Так, авария на атомной энергетической станции
(АЭС) Фукусима, произошедшая в 2011 году, дала толчок международным
исследованиям по разработке защитных покрытий для оболочечных труб
водоохлаждаемых ядерных реакторов [10]. Интенсивно ведутся исследования по
разработке различных способов защиты циркониевых сплавов, таких как,
добавление стабилизирующих добавок [11, 12], осаждение покрытий Cr, SiC,
CrN, TiN/TiAlN и других [13-18], микродуговое оксидирование [19],
модифицирование поверхности с помощью пучка электронов [20], а также
ионная имплантация [21]. Однако, несмотря на множество методов по защите
сплавов от коррозии и водородного охрупчивания, данная проблема остаётся
актуальной.
Большой проблемой с точки зрения разработки покрытий является
создание адгезионно-прочных покрытий, которые бы сохраняли свои защитные
свойства в условиях эксплуатации. Ввиду этого, альтернативным методом может
являться модифицирование поверхности таких сплавов пучками заряженных
частиц. Так, в работе [22] было показано снижение наводороживания сплава
Э110 при формировании модифицированного титансодержащего слоя методом
плазменно-иммерсионной ионной имплантации. Также было установлено, что
коррозионная стойкость сплава повышается при имплантации ионов титана и
зависит от толщины модифицированного слоя [23, 24]. Однако традиционные
методы ионной имплантации ограничены проективным пробегом ионов в
материале, который обычно не превышает микрометра. Следовательно,
защитные свойства таких слоев быстро ухудшаются. В свою очередь, реализация
высокодозовой ионной имплантации позволяет формировать глубоко
легированные слои (несколько микрон) с высокой концентрацией легирующей
примеси. В предыдущих исследованиях было показано, что метод
высокодозовой имплантации низкоэнергетичных ионов титана может быть
использован для формирования глубоко легированного поверхностного слоя,
обеспечивающего повышенные механических и трибологических свойств
сплавов циркония [25]. Однако на сегодняшний день стойкость таких защитных
слоев к проникновению водорода и коррозии остается не изученной.
Цель данной магистерской работы: установление закономерностей
влияния высокодозовой низкоэнергетичной ионной имплантации титана в
циркониевый сплав Zr-1Nb на водородостойкость и коррозионное поведение
сплава при эксплуатационных и сверхэксплуатационных температурах водо-
водяных энергетических реакторов.
Поставленная цель предполагает последовательное решение следующих
задач:
1) Подготовка экспериментальных образцов циркониевого сплава,
содержащих легированные титаном поверхностные слои, сформированные
методом высокодозовой низкоэнергетичной ионной имплантации.
2) Установление закономерностей изменения микроструктуры и
фазового состава циркониевого сплава после ВНИИ титана.
3) Установление закономерностей изменения кинетических процессов
наводороживания поверхностно-легированного циркониевого сплава в процессе
газофазного гидрирования при эксплуатационных температурах ядерных
реакторов.
4) Анализ стойкости поверхностно-легированного сплава при
высокотемпературном окислении на воздухе и в потоке водяного пара.
5) Анализ изменения механических свойств поверхности циркониевого
сплава после глубокой имплантации титана и коррозионных испытаний.
Метод высокодозовой низкоэнергетической ионной имплантации титана
был применен для модифицирования поверхности сплава Zr-1Nb. Было
установлено, что при ВНИИ формируется поверхностный модифицированный
TiZr слой с градиентным распределением титана по глубине, глубина которого
составила примерно 10 мкм при дозе 5,6×1020 ион/см2. Сформированный слой
имеет пластинчатую микроструктуру, состоящую из α′+α(TiZr) фаз. Впервые,
было обнаружено образование мартенситных α’ пластин после ВНИИ титана,
вероятно, обусловленное быстрым охлаждением из β(Ti,Zr) фазы.
Была проведена оценка защитных свойств модифицированного слоя от
проникновения водорода в сплав Zr-1Nb при насыщении водородом из газовой
фазы. Было показано, что формирование TiZr слоя приводит к значительному
снижению поглощения водорода сплавом циркония при температурах 400 и 500
°С. Наводороживание модифицированного слоя приводит к измельчению
пластинчатой структуры слоя.
Была исследована коррозионная стойкость циркониевого сплава Zr-1Nb с
поверхностным модифицированным слоем. Испытания проводились на воздухе
при температуре 600 °С в течение 10 ч и в потоке водяного пара при температуре
1100 °С в течение 10 мин. Анализ коррозионного привеса образцов показал
различие в кинетике окисления имплантированного титаном сплава на воздухе и
в потоке пара. Было показано, что стойкость модифицированного сплава при
окислении в воздушной атмосфере ниже, чем у необработанного сплава Э110.
Однако при окислении в потоке водяного пара, имитирующем аварию с потерей
теплоносителя, наблюдалось повышение коррозионной стойкости циркониевого
сплава с модифицированным титансодержащим слоем, коррозионный привес
был снижен до 10,1 мг/см2. Установлено, что при окислении в
имплантированном слое происходит образование орторомбической фазы оксида
TiZrO4, имеющего более плотную микроструктуру по сравнению с оксидными
фазами ZrO2. В результате быстрого охлаждения образцов после
высокотемпературных испытаний на границе раздела оксид/металл в
необработанном сплаве формируются многочисленные трещины. Оксидный
слой, сформированный на поверхности модифицированного сплава, имеет
неоднородную структуру, однако на границе раздела оксид/металл трещин
практически не образуется. Тем не менее, анализ данных коррозионных
испытаний показал относительно высокую скорость окисления циркониевого
сплава, поверхностно-легированного титаном, что не позволяет рассматривать
такой способ обработки для защиты оболочек тепловыделяющих элементов
ядерных реакторов.
Полученные результаты по высокодозовой ионной имплантации титана в
циркониевый сплав Zr-1Nb могут быть использованы как для создания
функциональных защитных слоев на поверхности циркониевых сплавов, так и
для контроля микроструктуры поверхностно-модифицированного слоя для
различных применений в промышленности или медицине.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.5 (9 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.4 (93 отзыва)
4.2 (5 отзывов)
5 (20 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
5 (18 отзывов)
