Научная статья на тему 'Коррозионно-электрохимическое поведение циркония, подвергнутого лазерному короткоимпульсному облучению'

Коррозионно-электрохимическое поведение циркония, подвергнутого лазерному короткоимпульсному облучению Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
235
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦИРКОНИЙ / ZIRCONIUM / ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЛАЗЕРНЫЙ СИНТЕЗ / HIGH SPEED LASER SYNTHESIS / ЗАЩИТНЫЕ СЛОИ / PROTECTIVE LAYERS / АНТИКОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА / ANTICORROSION PROPERTIES

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Башкова Ирина Олеговна, Харанжевский Евгений Викторович, Решетников Сергей Максимович, Гильмутдинов Фаат Залалутдинович

Цирконий широко используется в атомной энергетике благодаря его уникальным характеристикам, включая радиационную и коррозионную стойкость. В данной работе исследовано влияние структурно-фазового состава, формируемого методом высокоскоростного лазерного синтеза (ВЛС) в поверхностных пленках сплава на основе циркония, на антикоррозионные свойства поверхностного слоя. Показано, что ВЛС обеспечивает формирование на поверхности сплава Э110 защитных слоев, обладающих высокими антикоррозионными свойствами в нейтральных и агрессивных средах. Исследование структуры проводилось методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Установлено, что поверхность содержит раствор диоксидов циркония в металлической матрице.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Башкова Ирина Олеговна, Харанжевский Евгений Викторович, Решетников Сергей Максимович, Гильмутдинов Фаат Залалутдинович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ELECTROCHEMICAL CORROSION BEHAVIOR OF ZR-BASED ALLOY TREATED BY SHORT-PULSE LASER RADIATION

Zirconium is widely used in nuclear plants because it has unique properties including irradiation and corrosion stability. In this paper we studied influence of structure and phase content on anticorrosion properties of Zr-based alloy subjected by laser short-pulse treatment. It was shown that laser irradiation promotes formation of thin protective layers on the alloy E110 with very high anticorrosion properties in neutral and aggressive media. Structure of samples was investigated using x-ray spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy and x-ray photoelectron spectroscopy. According to the results of the study surface layers consist from oxide nanoparticles dispersed in the metal matrix. Laser short-pulse treatment of zirconium surface in protective environment of argon lead to surface modifications that responsible for the improvement of protective properties of the surface. Even higher protective properties in the terms of electrochemical corrosion resistance were obtained by laser treatment in the air. High speed laser sintering allows to obtain high density protective oxide layers formed by high temperature interaction between oxygen and zirconium. As a result a metal matrix composite layers are formed which consists of nanosized inclusions of zirconium oxides in the metal matrix. High temperature developed in the irradiated area provides active interaction between oxides and zirconium, which is responsible for appearance of the good interface bonding between the matrix and inclusions. These factors improve electrochemical corrosion resistance sharply.

Текст научной работы на тему «Коррозионно-электрохимическое поведение циркония, подвергнутого лазерному короткоимпульсному облучению»

УДК 544.6:620.193

КОРРОЗИОННО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЦИРКОНИЯ, ПОДВЕРГНУТОГО ЛАЗЕРНОМУ КОРОТКОИМПУЛЬСНОМУ ОБЛУЧЕНИЮ

1БАШКОВА И. О., 1ХАРАНЖЕВСКИЙ Е. В., 1РЕШЕТНИКОВ С. М., 2ГИЛЬМУТДИНОВ Ф. З.

1Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 2Физико-технический институт Уральского отделения РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132

АННОТАЦИЯ. Цирконий широко используется в атомной энергетике благодаря его уникальным характеристикам, включая радиационную и коррозионную стойкость. В данной работе исследовано влияние структурно-фазового состава, формируемого методом высокоскоростного лазерного синтеза (ВЛС) в поверхностных пленках сплава на основе циркония, на антикоррозионные свойства поверхностного слоя. Показано, что ВЛС обеспечивает формирование на поверхности сплава Э110 защитных слоев, обладающих высокими антикоррозионными свойствами в нейтральных и агрессивных средах. Исследование структуры проводилось методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Установлено, что поверхность содержит раствор диоксидов циркония в металлической матрице.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цирконий, высокоскоростной лазерный синтез, защитные слои, антикоррозионные свойства.

ВВЕДЕНИЕ

Цирконий - металл, обладающий следующими важными свойствами: низкое сечение

91 _28 2

захвата нейтронов (для 2г составляет 1,0-10 м ); высокая температура плавления (Тпл=1855 °С); высокая коррозионная стойкость в широком интервале температур, вследствие того, что при взаимодействии с кислородом образуется плотная защитная оксидная пленка 2г02. Благодаря этим уникальным свойствам, цирконий является наиболее перспективным металлом, использующимся в качестве конструкционного материала ядерных реакторов (оболочки ТВЭЛов, труб охлаждения и т.п.). Еще одним важным свойством циркония является его идеальная биосовместимость. Поэтому он широко используется в медицине для создания хирургических инструментов, имплантатов и протезов.

На антикоррозионные свойства поверхности циркония оказывает значительное влияние способ заключительной обработки. Как показано в работе [1], механическая обработка обычно приводит к появлению микро- и макронапряжений, что отрицательно влияет на коррозионную стойкость. Распространенной методикой обработки поверхности является снятие поверхностного слоя в смесях, содержащих плавиковую кислоту. В зависимости от длительности этот процесс называют травлением, осветлением или химическим полированием. Существенным недостатком в данной операции является неизбежное загрязнение поверхности фторидами, что ведет к изменениям структуры в кристаллических решетках при облучении, из-за чего такие изделия не выдерживают испытаний в аварийных условиях перегрева с выбросом теплоносителя. Многие особенности кинетики коррозии циркониевых материалов объясняются изменениями, происходящими в оксидных пленках при их росте и деградации. Так как коррозионное поведение циркония часто связано с электрофизическими свойствами барьерной оксидной пленки, актуальным является изучение влияния различных методов обработки поверхности на электрофизические свойства коррозионных оксидных пленок на сплавах циркония. Для улучшения свойств также используется модификация состава циркониевых сплавов легированием различными элементами, а также изменение микроструктуры за счет оптимизации термической обработки. По мнению академика А. А. Бочвара, структура не в меньшей степени определяет

свойства материала, чем состав. В работе [2] исследованы и описаны способы повышения эксплуатационных свойств циркониевых компонентов активных зон реакторов с помощью модификации структурно-фазового состояния и состояния поверхности. Показано, что благодаря использованию различных методов можно получить композитные циркониевые материалы, обладающие повышенной прочностью, высоким сопротивлением ползучести и развитию усталостных трещин; с помощью жидкометаллического армирования можно повысить прочность циркониевых компонентов; методами твердофазного легирования углеродными нанотрубками можно снизить вероятность их водородного охрупчивания за счет способности углеродных нанотрубок к необратимой сорбции поглощаемого циркониевыми компонентами водорода; в результате модификации поверхности и создания на поверхности циркониевых компонентов защитных покрытий также можно снизить уровень наводороживания циркония при эксплуатации и повысить коррозионную стойкость, тем самым повысить работоспособность и продлить срок эксплуатации изделий. Все эти способы модификации могут использоваться как каждый в отдельности, так и в разных сочетаниях, в зависимости от того, какой набор свойств необходимо получить. В работе [3] показано, что антикоррозионные свойства также зависят от плотности поверхностного слоя: чем они рыхлее, тем меньше устойчивость к электрохимической коррозии.

В настоящее время для создания защитных слоев используется метод высокоскоростного лазерного спекания (ВЛС). Его возможности в улучшении коррозионной стойкости были продемонстрированы в работах [4 - 6]. В данной работе была поставлена задача исследовать эксплуатационные показатели циркониевых изделий, обработанных методом ВЛС. Основное внимание уделяется оценке влияния состава фаз на поверхности сплава после ВЛС на антикоррозионные свойства. Основой ВЛС является лазерное короткоимпульсное диспергирование фаз оксида циркония в металлической матрице.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исходными образцами служили образцы оболочек ТВЭЛов из сплава Э110 (2г-1 мас. % №) в состоянии поставки. Образцы с размерами 10^10^1 мм были предварительно обработаны плавиковой кислотой. На рис. 1 представлен вид исходного образца, на котором хорошо видно вытравленную поверхность, образующуюся в результате действия плавиковой кислоты.

Рис. 1. Оптическое изображение поверхности образцов из циркониевого сплава в состоянии поставки

Для лазерного синтеза использовался иттербиевый оптоволоконный лазер, работающий в импульсном режиме генерации излучения и управляемый персональным компьютером (длина волны излучения 1,065 мкм, длительность импульса 100 нс). Источником кислорода являлась газовая фаза, то есть обработка проводилась либо на воздухе, либо в газовой камере

с продувкой аргоном, содержащей остаточный кислород. В последнем случае камера продувалась аргоном с одинаковой для всех образцов длительностью в 1 мин. Такая непродолжительная продувка не может полностью заместить исходную воздушную атмосферу в камере, что и является источником кислорода при лазерной обработке. Лазерная обработка проводилась с одинаковыми режимами: средняя мощность лазерного излучения 50 Вт, частота импульсов 100 кГц, скорость сканирования луча лазера 700 мм/с, луч фокусировался в пятно диаметром 60 мкм. О-образная схема сканирования луча лазера представлена на рис. 2. Ширина дорожки сканирования составляла 200 мкм, коэффициент перекрытия дорожек - 0,5.

Приведем здесь некоторые результаты исследования антикоррозионных свойств циркония, полученные нами ранее в работе [7]. Испытания на антикоррозионные свойства производились при помощи электрохимических исследований [6]. Поляризационные измерения исследуемых образцов проводились в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 2 мВ/с. Для электрохимических исследований использовались потенциостаты модели Р-30 и 1рс-Рго Ь и ячейка ЯСЭ-2 при температуре окружающей среды (20±2) °С. В качестве электролита в нейтральной среде использовался боратный буферный раствор с рН 7,4. Выбор данного электролита обусловлен тем, что борат-ионы практически индифферентны по отношению к электродным материалам на основе циркония, т.е. не обладают ни свойством перевода их в пассивное состояние, ни свойством активирования (нарушения пассивного состояния). Электролитом для исследований в агрессивной среде был выбран №С1 3%, т.к. известна способность анионов хлорида разрушать пассивные оксидные пленки и стимулировать питтинговую коррозию [8]. Образцы для электрохимических исследований представляли собой пластинки площадью 1 см . Синтезированный поверхностный слой служил в качестве рабочей поверхности электрода. Нерабочие поверхности электрода были изолированы (покрыты лаком). Перед электрохимическими испытаниями образцы были промыты дистиллированной водой и вся их поверхность обезжирена этанолом. Далее образцы помещали в электрохимическую ячейку с соответствующим раствором, выдерживали до установления стационарного потенциала (10 - 15 мин) и включали анодную поляризацию со скоростью 2 мВ/с. Потенциалы измеряли относительно насыщенного хлорид серебряного электрода. Для сравнения в тех же условиях снимали поляризационные кривые с исходного образца циркония. Результаты электрохимических исследований в нейтральной (ББР рН 7,4) и агрессивной (№С1 3 %) средах с разными покрытиями представлены на рис. 3 и 4 соответственно. Как видно из рис. 3, у каждого образца имеется свое значение потенциала начала протекания активного коррозионного разрушения, которое свидетельствует о депассивации поверхности. Чем выше значение анодного потенциала, тем лучше антикоррозионные свойства и эксплуатационные характеристики материла. При увеличении

>

У

Рис. 2. Схема сканирования луча лазера при обработке поверхности циркония в аргоне и на воздухе

потенциала активное растворение наступает сначала у исходного образца (1), затем у образца, обработанного в среде аргона (2), и самым последним у образца, обработанного на воздухе (3). Как показано на рис. 3 и 4, потенциал депассивации обработанных образцов в нейтральной и агрессивной среде значительно выше, чем у исходных образцов. Наиболее увеличенным потенциалом депассивации обладает образец, обработанный на воздухе (3).

Е, мВ -600 п

-200200-

600-

100014001800-1-1-1-1-

0.08 0.09 0.1 0.11 0.12

г, мА

Рис. 3. Вольтамперная характеристика электродов из циркония в нейтральной среде (ББР рН 7,4) для образцов: 1 - без обработки; 2 - обработка в аргоне; 3 - обработка на воздухе

Е, мВ -600-400" -2000 -200400600800-1-1-1-

0,05 0,15 0,25 0,35

г, мА

Рис. 4. Вольтамперная характеристика электродов из циркония в агрессивной среде ^аС1 3%) для образцов: 1 - без обработки; 2 - обработка в аргоне; 3 - обработка на воздухе

Для объяснения результатов коррозионных испытаний проводились исследования структуры поверхности после ВЛС при помощи сканирующего электронного микроскопа марки УБОАЗ ТБ8СЛМ Результаты сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) приведены на рис. 5. На СЭМ-изображении поверхности исходного образца присутствуют поры и неровности, связанные с методом получения пластин (рис. 5, а). После лазерной обработки циркония на воздухе (рис. 5, б) поверхность более однородная, что связано с ростом оксидного слоя. На его поверхности видны трещины, которые образовались вследствие возникновения сжимающих напряжений, вызванных ростом оксидного слоя. На поверхности образца, обработанного в аргоне, происходит переплав поверхности

под действием отдельных импульсов. Изменение формы поверхности связано с влиянием термокапиллярных явлений и наличием высокого локального давления паров, действующих на расплавленную жидкость. Вследствие того, что в центре из-за максимальной плотности мощности излучения давление больше, чем снаружи, поверхность после лазерной обработки в аргоне имеет форму локальных кратеров (рис. 5, в). Так как при лазерной обработке образцов в аргоне содержание кислорода меньше, чем при обработке на воздухе, то защитные свойства поверхности к электрохимической коррозии ниже.

а) б) в)

Рис. 5. СЭМ-изображения поверхности до (а) и после лазерной обработки на воздухе (б) и в аргоне (в)

Рентгеноструктурные исследования проводили с помощью автоматизированного дифрактометра ДРОН-6М. Съемка производилась методом постоянного времени в монохроматическом Fe-Ka излучении с длиной волны А=1,9373 Á, с шагом по углу 0,02° и временем экспозиции в каждой точке 5 с. Дифрактограмма веществ представляла собой кривую зависимости интенсивности отраженных рентгеновских лучей от угла Вульфа - Брэгга 20. Результаты рентгеноструктурного анализа исследуемых образцов представлены на рис. 6. В исходных циркониевых образцах регистрируется одна фаза a-Zr (гексагональная решетка). В результате обработки на воздухе появляются пики, принадлежащие фазам диоксидов циркония с моноклинной и тетрагональной кристаллическими решетками. В отличие от обработки на воздухе, лазерная короткоимпульсная обработка в аргоне не приводит к появлению в РА-спектрах пиков оксидных фаз из-за малого количества кислорода в камере после продувки аргоном.

Электронно-микроскопические исследования выполнены на микроскопе ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 100 кВ в широком диапазоне увеличений. Электронно-микроскопические изображения структуры и соответствующие им электронограммы приведены на рис. 7. На электронограмме исходного образца (рис. 7, а) все рефлексы принадлежат гексагональной решетке циркония. На электронограмме образца после лазерной обработки на воздухе (рис. 7, б), также как и при рентгенофазовом анализе, одновременно обнаруживаются как фаза циркония с гексагональной структурой, так и фазы двух диоксидов циркония с моноклинной и тетрагональной решетками. При этом оксидные фазы образованы в виде включений размерами до 10 нм в металлической матрице. Таким образом, при лазерной обработке на воздухе оксиды диспергируются в металлической матрице циркония. Так как единовременно регистрируются два полиморфных состояния диоксида циркония, то возможно присутствие в поверхностном слое переходных состояний, содержащих нестехиометрические оксиды. На электронно-микроскопических изображениях структуры после лазерной обработки на воздухе видно, что на всех участках образуется однородное нанокристаллическое состояние, в котором фиксируется межфазное взаимодействие между включениями оксидов циркония и металлической матрицей. Это образование связано с условиями короткоимпульсной лазерной обработки, которая характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения.

20, Ре(Ка), град.

Рис. 6. Рентгеноструктурный анализ образцов циркония в состоянии поставки, после обработки в аргоне и на воздухе

а) б)

Рис. 7. ПЭМ-изображение структуры циркония: а) в состоянии поставки; б) после лазерной обработки на воздухе

На основании результатов ПЭМ анализа можно сделать вывод, что повышенные защитные свойства образцов, обработанных на воздухе, связаны с диспергированием оксидных фаз и формированием нестехиометрических оксидов. Ожидается, что защитные свойства зависят от толщины слоя, содержащего ZrO2. Для оценки состояния приповерхностных слоев использовался метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Химический состав поверхностных слоев образцов циркония исследовался на спектрометре SPECS, с использованием MgKa-излучения (1253,6 эВ) в сочетании с послойным травлением поверхности ионами аргона с энергией 4 кэВ и плотностью тока 30 мкА/см (скорость травления ~1 нм/мин). Экспериментальные данные обработаны с помощью пакета программ CasaXPS. Относительная погрешность определения концентрации элементов составляет ±3 % от измеряемой величины.

До ионного травления на спектрах поверхности образца циркония в исходном состоянии наблюдается дублет Zr3d5/2,3/2, по энергии связи пиков (182,5 - 185,0 эВ) соответствующий диоксиду циркония (рис. 8, а). На поверхности сформирована тонкая оксидная пленка ZrO2. Толщина пленки незначительна, так как уже после первой минуты травления со стороны низких энергий связи появляется дублет металлического циркония (178,4 - 181,6 эВ) (ионное травление за одну минуту проникает на глубину примерно 1 нм). Далее при травлении этот дублет растет. Одновременно уменьшаются пики диоксида циркония. На глубине 14 нм спектр Zr3d близок к спектру металлического циркония с незначительными остатками ZrO2. Промежуточного слоя низшего оксида ZrO не обнаружено.

Zr3d Zr3d

Zr(met) Zr4+ Zr(met) Zr4+

-............. 14

....... 10

................. 3

*"................. 1

0

111111111111111111111111111111111111111111111111111 1111111111111111

10

5

3 1

172 176 180 184 188 192 172

Есв, эВ

a)

176

1111111111111111111111111111111111

180 184 188 192

Есв, эВ б)

Рис. 8. РЭ-спектры Zr3d поверхностных слоев образца циркония: а) без обработки (исходная пластина); б) после лазерной обработки на воздухе. Справа от кривых показано время травления поверхности ионами Аг+, мин

На спектрах кислорода, приведенных на рис. 9, а, до травления наблюдаются три компоненты: O-Zr (530,4 эВ), О-О (532,0 эВ) и пик, связанный с наличием углеродных загрязнений. После травления на спектре остается только основной пик Zr-O, интенсивность которого убывает по глубине одновременно со снижением интенсивностей пиков оксида циркония на спектре Zr3d. Из спектра кислорода видно, что на необработанном образце присутствует адсорбированный поверхностью кислород.

В спектрах образца, обработанного на воздухе, по всей исследованной глубине положение спин-дублета Zr3d соответствует степени окисления циркония 4+ (т.е. диоксиду Zr02) (рис. 8, б). Признаков металлического циркония, низших оксидов или субоксидов на данной глубине не обнаружено. Соответственно, на спектрах 01s (рис. 9, б) по всей глубине анализа присутствует интенсивная линия с Есв=530,4 эВ, соответствующая кислороду в диоксиде циркония. Линия с Есв=531,8 эВ, интенсивность которой убывает по глубине, может быть отнесена к адсорбированному или растворенному кислороду. Также из спектра 01s видно, что большая часть кислорода не абсорбирована поверхностью, в отличие от исходного образца, а имеет ковалентную связь с кислородом.

Ois Ois

O-Zr ads O-Zr ads

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

524

528

532

Есв, эВ а)

536

11111111111111111111111111111111111111111

540 524

528

532

Есв, эВ б)

536

540

Рис. 9. РЭ-спектры O1s поверхностных слоев образца циркония: а) без обработки (исходная пластина); б) после лазерной обработки на воздухе

По результатам РФЭС исследований можно сделать вывод, что обработка на воздухе с использованием метода ВЛС позволяет получить оксидные слои, значительно превышающие по толщине 10 нм, благодаря чему данная поверхность обладает улучшенными коррозионными свойствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе показана возможность использования метода высокоскоростного лазерного синтеза для повышения коррозионной стойкости циркониевых изделий в условиях электрохимической коррозии. При обработке сплава циркония Э110 в атмосфере аргона происходит модификация поверхности (лазерный локальный переплав), при этом толщина

оксидного слоя практически не изменяется. Это приводит к улучшению защитных свойств оксидного слоя. Однако лучшие результаты достигаются при обработке образцов на воздухе. В таких условиях реализуется ВЛС оксида из металлического циркония и кислорода в зоне обработки, что приводит к уплотнению слоя и образованию композиционного материала, состоящего из включений диоксидов циркония в металлической матрице. Именно с этим связано повышение антикоррозионных свойств поверхности, обработанной методом ВЛС.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания вузам, проект № 2049. Экспериментальные результаты И.О. Башковой, вошедшие в настоящую статью, получены в рамках программы «УМНИК» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (№ 1439ГУ/2014).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Некрасова Н. Е., Кругликов С. С. О связи коррозионной стойкости и электрофизических свойств оксидных пленок на сплаве циркония // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2011. Т. 47, № 6. С. 668-672.

2. Иванова С. В., Глаговский Э. М., Орлов В. К., Шлепов И. А., Никоноров К. Ю., Рожко В. В., Глебов В. А., Бецофен С. Я. Повышение эксплуатационных свойств циркониевых компонентов активных зон легководных реакторов нового поколения с использованием нанотехнологий // Ядерная физика и инжиниринг. 2011. Т. 2, № 3. С. 224-234.

3. Елшина Л.А., Кудяков В. Я., Малков В. Б., Молчанова Н. Г., Антонов Б. Д. Механизм образования тонких оксидных покрытий и нанопорошков при анодном оксидировании циркония в расплавленных солях // Защита металлов. 2008. Т. 44, № 3. С. 276-282.

4. Харанжевский Е. В., Кривилёв М. Д., Решетников С. М., Садиоков Э. Е., Гильмутдинов Ф. З. Коррозионно-электрохимическое поведение наноструктурных оксиднохромовых слоев, полученных лазерным облучением нелегированной стали короткими импульсами // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2014. Т. 50, № 6. С. 649-656.

5. Харанжевский Е. В., Решетников С. М., Гильмутдинов Ф. З., Писарева Т. А. Коррозионно-электрохимическое поведение наноразмерных углеродных слоев, нанесенных на поверхность нелегированной стали импульсным лазерным облучением // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51, № 5. С. 495-502.

6. Решетников С. М., Харанжевский Е. В., Кривилёв М. Д., Садиоков Э. Е. Коррозионно-электрохимическое поведение композитных слоев на основе железа, полученных лазерным спеканием // Коррозия: материалы, защита. 2010. № 9. С. 33-38.

7. Харанжевский Е. В., Башкова И. О., Решетников С. М., Иванова С. В. Коррозионно-электрохимические свойства слоев, полученных лазерным диспергированием оксидов на поверхности циркония // Вестник Удмуртского университета. Физика и химия. 2014. Вып. 4. С. 23-29.

8. Cox B. Environmentally induced cracking of zirconium alloys // Reviews on Coatings and Corrosion. 1975, no. 1, pp. 366-422.

ELECTROCHEMICAL CORROSION BEHAVIOR OF ZR-BASED ALLOY TREATED BY SHORT-PULSE LASER RADIATION

:Bashkova I.O., 1Kharanzhevskiy E.V., :Reshetnikov S.M., 2Gilmutdinov F.Z. :Udmurt State University, Izhevsk, Russia

2Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. Zirconium is widely used in nuclear plants because it has unique properties including irradiation and corrosion stability. In this paper we studied influence of structure and phase content on anticorrosion properties of Zr-based alloy subjected by laser short-pulse treatment. It was shown that laser irradiation promotes formation of thin protective layers on the alloy E110 with very high anticorrosion properties in neutral and aggressive media. Structure of samples was investigated using x-ray spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy and x-ray photoelectron spectroscopy. According to the results of the study surface layers consist from oxide nanoparticles dispersed in the metal matrix. Laser short-pulse treatment of zirconium surface in protective environment of argon lead to surface modifications that responsible for the improvement of protective properties of the surface. Even higher protective properties in the terms of electrochemical corrosion resistance were obtained by laser treatment in the air.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

High speed laser sintering allows to obtain high density protective oxide layers formed by high temperature interaction between oxygen and zirconium. As a result a metal matrix composite layers are formed which consists of nanosized inclusions of zirconium oxides in the metal matrix. High temperature developed in the irradiated area provides active interaction between oxides and zirconium, which is responsible for appearance of the good interface bonding between the matrix and inclusions. These factors improve electrochemical corrosion resistance sharply.

KEYWORDS: zirconium, high speed laser synthesis, protective layers, anticorrosion properties.

REFERENCES

1. Nekrasova N. E., Kruglikov S. S. O svjazi korrozionnoj stojkosti i jelektrofizicheskih svojstv oksidnyh plenok na splave cirkonija [On the relationship between the corrosion resistance and electrical properties of oxide films on zirconium alloy]. Fizikohimijapoverhnosti i zashhita materialov, 2011, vol. 47, no. 6, pp. 668-672.

2. Ivanova S. V., Glagovskij Je. M., Orlov V. K., Shlepov I. A., Nikonorov K. Ju., Rozhko V. V., Glebov V. A., Becofen S. Ja. Povyshenie jekspluatacionnyh svojstv cirkonievyh komponentov aktivnyh zon legkovodnyh reaktorov novogo pokolenija s ispol'zovaniem nanotehnologij [Increase of operational properties of zirconia cores components of light-water reactors of new generation using nanotechnology]. Jadernaja fizika i inzhiniring, 2011, vol. 2, no. 3, pp. 224-234.

3. Elshina L. A., Kudjakov V. Ja., Malkov V. B., Molchanova N. G., Antonov B. D. Mehanizm obrazovanija tonkih oksidnyh pokrytij i nanoporoshkov pri anodnom oksidirovanii cirkonija v rasplavlennyh soljah [The mechanism of formation of thin oxide coatings and nanopowders at the anodic oxidation of zirconium in molten salts]. Zashhita metallov, 2008, vol. 44, no. 3, pp. 276-282.

4. Kharanzhevskiy E. V, Krivilyov M. D., Reshetnikov S. M., Sadiokov Je. E., Gil'mutdinov F. Z. Korrozionno-jelektrohimicheskoe povedenie nanostrukturnyh oksidnohromovyh sloev, poluchennyh lazernym oblucheniem nelegirovannoj stali korotkimi impul'sami [Corrosion-electrochemical behavior of nanostructured chromium oxide layers obtained by laser irradiation of unalloyed steel by short pulses]. Fizikohimija poverhnosti i zashhita materialov, 2014, vol. 50, no. 6, pp. 649-656.

5. Kharanzhevskiy E. V., Reshetnikov S. M., Gil'mutdinov F. Z., Pisareva T. A. Korrozionno-jelektrohimicheskoe povedenie nanorazmernyh uglerodnyh sloev, nanesennyh na poverhnost' nelegirovannoj stali impul'snym lazernym oblucheniem [Corrosion and electrochemical behavior of nanoscale carbon layers deposited onto a surface of nonalloyed steel via pulsed laser deposition]. Fizikohimija poverhnosti i zashhita materialov, 2015, vol. 51, no. 5, pp. 495-502.

6. Reshetnikov S. M., Kharanzhevskiy E. V., Krivilyov M. D., Sadiokov Je. E. Korrozionno-jelektrohimicheskoe povedenie kompozitnyh sloev na osnove zheleza, poluchennyh lazernym spekaniem [Corrosion-electrochemical behavior of iron based laser baked composite layers]. Korrozija: materialy, zashhita, 2010, no. 9, pp. 33-38.

7. Kharanzhevskiy E. V., Bashkova I. O., Reshetnikov S. M., Ivanova S. V. Korrozionno-jelektrohimicheskie svojstva sloev, poluchennyh lazernym dispergirovaniem oksidov na poverhnosti cirkonija [Corrosion and electrochemical properties of the layers obtained by laser dispersion of oxides on a zirconium surface]. Vestnik Udmurtskogo universiteta. Fizika i himija, 2014, vol. 4, pp. 23-29.

8. Cox B. Environmentally induced cracking of zirconium alloys. Reviews on Coatings and Corrosion. 1975, no. 1, pp. 366-422.

Башкова Ирина Олеговна, аспирант УдГУ, тел. 7(3412)91-62-41, e-mail: [email protected]

Харанжевский Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией экспериментальной физики и автоматизированного эксперимента УдГУ, е-mail: [email protected]

Решетников Сергей Максимович, доктор химических наук, профессор УдГУ, e-mail: [email protected]

Гильмутдинов Фаат Залалутдинович, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией атомной структуры и анализа поверхности ФТИ УрО РАН, тел. 7(3412)43-15-73, е-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.