Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация титана в циркониевых сплавах Zr-1Nb

Исследовано влияние высокодозовой низкоэнергетичной ионной имплантации титана на структуру, физико-механические свойства и водородостойкость циркониевого сплава Э110. Показана принципиальная возможность формирования глубоких модифицированных титансодержащих слоев на поверхности циркониевого сплава.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 15
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ……………………………………………………………….. 18
1.1 Коррозия и водородное охрупчивание циркониевых сплавов …………… 18
1.1.1 Диаграмма фазовых состояний в системе Zr-H ……………………….. 18

1.1.2 Растворимость водорода в циркониевых сплавах. …………………… 19

1.1.3 Диаграмма равновесных состояний сплавов системы Zr-Nb ……. 20

1.1.4 Коррозия циркониевых сплавов ……………………………………………… 22

1.2 Способы защиты циркониевых сплавов от коррозии и водородного
охрупчивания. ………………………………………………………………………………………….. 26
1.2.1 Покрытия для защиты циркониевых сплавов ………………………….. 31

1.2.2 Ионная имплантация ………………………………………………………………. 35

2. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ …………………………………….. 37
2.1 Пробоподготовка …………………………………………………………………………….. 37
2.2 Экспериментальная установка и система формирования
высокоинтенсивных пучков ионов с иcпользованием плазмы вакуумно-
дугового разряда ………………………………………………………………………………………. 37
2.3 Рентгеновский дифрактометр «XRD-7000» ………………………………………. 39
2.4 Оптический спектрометр плазмы тлеющего разряда GD-Profiler-2 …… 41
2.5 Автоматизированный комплекс Gas Reation Controller……………………… 42
2.6 Анализатор водорода RHEN 602………………………………………………………. 43
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ ……………………………………………… 44
3.1 Анализ изменения структуры сплава методом РСА ………………………….. 44
3.2 Анализ распределения элементов по глубине сплава после ионной
имплантации методом GDOES …………………………………………………………………. 46
3.3 Трибологические характеристики сплава Э110 после ионной
имплантации. …………………………………………………………………………………………… 47
3.4 Твердость и модуль Юнга ………………………………………………………………… 50
3.5 Микроструктура модифицированного титансодержащего слоя ………… 51
3.6 Насыщение водородом сплав Э110 после ионной имплантации ……….. 52
3.7 Рентгеноструктурный анализ после насыщения водородом. …………….. 54
3.8 Распределение элементов в сплаве Zr-1Nb после имплантации титана 56
3.9 Анализ термодесорбционной спектроскопии ……………………………………. 57
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 58
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ…………………………………………………………………………. 60
4.1. Потенциальные потребители исследования ……………………………………… 60
4.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………. 60
4.3. SWOT-анализ ………………………………………………………………………………….. 62
4.4. Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………….. 63
4.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………………………. 64
4.6 Инициация проекта ………………………………………………………………………….. 64
4.6.1. Заинтересованные стороны проекта …………………………………………………. 64
Проведение эксперимента ………………………………………………………………………… 66
4.7 Бюджет научного исследования ………………………………………………………….. 67
4.7 Реестер рисков проекта……………………………………………………………………….. 74
4.8 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………………….. 75
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 78
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………… 79
5.1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 79
5.2. Вредные факторы проектируемой производственной среды …………….. 81
5.3. Анализ вредных факторов ……………………………………………………………….. 82
5.3.1 Вредные производственные факторы, связанные с аномальными
микроклиматическими параметрами воздушной среды на
местонахождении работающего ………………………………………………………….. 82
5.3.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны ……………………………. 83

5.3.3 Превышение уровня шума ……………………………………………………… 86

5.4. Выявление опасных факторов проектируемой производственной среды
………………………………………………………………………………88
5.4.1. Опасность поражения электрическим током ……………………………. 88

5.4.2. Пожаровзрывоопасность …………………………………………………………. 90

5.5. Охрана окружающей среды ……………………………………………………………… 91
5.6. Защита в чрезвычайных ситуациях…………………………………………………… 92
5.6.1 Пожарная безопасность ………………………………………………………….. 94

Вывод ………………………………………………………………………………………………………. 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………….. 97
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………………. 98
Приложение А…………………………………………………………………..111

В настоящей работе было проведено исследование влияния
высокодозовой низкоэнергетичной ионной имплантации титана на
структуру, физико-механические свойства и водородостойкость
циркониевого сплава Э110. По результатам проведенного исследования были
сделаны следующие выводы:
1. Анализ структуры и распределения титана по глубине
циркониевого сплава Э110 показал, что в поверхностном модифицированном
титансодержащем слое формируется пластинчатая микроструктура с
разориентированными крупными пластинчатыми зѐрнами α′ – мартенситной
фазы и α-(TiZr) фазы.
2. Установлено, что высокоинтенсивная ионная имплантация титана
приводит к формированию твердорастворных Zr-Ti фаз различного состава с
ГПУ-структурой.
3. Установлено, что модифицированный титаносодержащий TiZr
слой толщиной ~10 мкм повышает стойкость циркониевого сплава Э110 к
воздействию водорода. Скорость сорбции водорода поверхностно-
модифицированным циркониевым сплавом снижается в 6,3 раза при
температуре 400 °С и в 4,7 раза при температуре 500 °С в сравнении с
необработанным сплавом. Наводороживание модифицированного слоя
приводит к измельчению его пластинчатой микроструктуры.
4. Показано, что увеличение дозы ионной имплантации от 5,4×1020
ион/см2 до 9,6×1020 ион/см2 приводит к росту глубины титансодержащего
слоя от 6 до 13 мкм, соответственно, однако существенно увеличивается
шероховатость поверхности.