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

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.