Исследование водородостойкости и коррозионной стойкости сплава Zr-1Nb, легированного титаном методом высокодозовой имплантации низкоэнергетических ионов

Захарченко, Светлана Александровна Научно-образовательный центр Б.П. Вейнберга (НОЦ Б.П. Вейнберга)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Мария Б. преподаватель, кандидат наук
    5 (22 отзыва)
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальнос... Читать все
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальности "Экономика и управление народным хозяйством". Автор научных статей.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Глеб С. преподаватель, кандидат наук, доцент
    5 (158 отзывов)
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной с... Читать все
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной специальности 12.00.14 административное право, административный процесс.
    #Кандидатские #Магистерские
    216 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Яна К. ТюмГУ 2004, ГМУ, выпускник
    5 (8 отзывов)
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Татьяна П. МГУ им. Ломоносова 1930, выпускник
    5 (9 отзывов)
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.
    #Кандидатские #Магистерские
    11 Выполненных работ
    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Виктор В. Смоленская государственная медицинская академия 1997, Леч...
    4.7 (46 отзывов)
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выв... Читать все
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выводы).Пишу статьи в РИНЦ, ВАК.Оформление патентов от идеи до регистрации.
    #Кандидатские #Магистерские
    100 Выполненных работ
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Исследование структуры и свойств биоинертных сплавов системы Ti-Nb
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Кальций-фосфатные мишени для ВЧ-магнетронного осаждения биосовместимых покрытий
    📅 2020год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)