CC BY
12
УДК 621.039.539.67
DOI: 10.15587/2313-8416.2019.189283
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Zr-1Nb ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТРУБ-ОБОЛОЧЕК ТВЭЛ
Г. Д. Сухомлин, Т. А. Дергач
Исследованы структура и свойства литого и горячедеформированного сплава Zr-1Nb и изготовленных из него опытных партий труб-оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) для реакторов ВВЭР 1000 атомных электростанций. Показано, что удовлетворительная технологическая пластичность го-рячедеформированных передельных труб обеспечивается при высокотемпературном прессовании слитков с высокой степенью деформации. Впервые в мартенситных структурах сплава Zr-1Nb с гексагональной плотноупакованной решеткой установлено наличие специальных границ зерен в теории решеток совпадающих узлов. Изготовленные по разработанной технологии трубы-оболочки твэл сплава Zr-1Ш по основным качественным характеристикам соответствуют зарубежным аналогам Ключевые слова: сплав циркония, слиток, трубы, твэл, микроструктура, специальные границы зерен, свойства
Copyright © 2019, G. Sukhomlin, T. Dergach. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommom.org/lwenses/by/4M).
1. Введение
На атомных электростанциях Украины и зарубежных стран широко используются атомные реакторы ВВЭР 1000 с трубами-оболочками тепловыделяющих элементов размерами 0 9,13 х вн. 7,72 мм из сплава на основе циркония 2г-1№, содержащего ~ 99 % масс. Хх [1-3]. В Украине до настоящего времени технология производства таких труб отсутствует и тепловыделяющие сборки с трубами из сплава 2г-1№ закупают по импорту.
2. Литературный обзор
В мировой практике технология изготовления труб оболочек твэл из циркониевых сплавов включает многостадийную ковку крупногабаритных слитков при температурах р+а области сплава с промежуточными нагревами, горячую прокатку кованых заготовок [3, 4], последующую многократную холодную деформацию с промежуточными отжигами в вакууме [5, 6] и комплекс сдаточных испытаний [7]. Недостатком такой технологии является высокая энергоемкость.
Учеными Украины при участии авторов статьи в рамках выполнения «Комплексной программы создания ядерно-топливного цикла» разработана альтернативная технология производства труб-оболочек твэл из сплава 2г-1№ [3, 8-10]. Она от-
личается от принятой в мировой практике - высокотемпературным прессованием в р-области малогабаритных трубных заготовок - слитков сплава циркония диаметром 180 мм и исключает длительную и энергоемкую операцию ковки [8, 9]. Высокая эффективность этой технологии достигается за счет оптимального сочетания размеров трубных заготовок, разработанных параметров их индукционного нагрева и температурно-деформационных параметров горячего прессования с большой степенью деформации с закалкой труб с деформационного нагрева. Это позволяет в одной кратковременной операции обеспечить: полную фазовую а^р^а перекристаллизацию с диффузионно-деформационным устранением исходной ликваци-онной неоднородности сплава и измельчением до 1000 раз исходного р-зерна слитка и технологически благоприятную для дальнейшей холодной деформации мелкозернистую структуру в горяче-прессованных передельных трубах.
Разработка новой наукоемкой технологии производства труб ответственного назначения вызвала необходимость проведения углубленного изучения деталей структуры и тонкой структуры сплава 2г-1№ с использованием теоретической кристаллографии, электронномикроскопических и микродифракционных методов исследования.
3. Цель и задачи исследования
Цель работы: установление взаимосвязи между структурой и свойствами сплава 2г1№ при производстве труб-оболочек твэл и обеспечение высокого качества труб, изготавливаемых по разработанной альтернативной технологии.
Для достижения цели были поставлены такие задачи:
1. Исследовать структуру литого и горяче-прессованного сплава 2г-1№;
2. Теоретически и экспериментально доказать наличие в структуре сплава с ГПУ кристаллической решеткой специальных низкоэнергетических границ;
3. Использовать результаты исследований при разработке альтернативной технологии изготовления труб-оболочек твэл из сплава 2г-1№ в Украине.
4. Материалы и методы исследования
Материалами исследования служили трубные заготовки (слитки диаметром 180 мм) из сплава 2г-1№, содержащего 0,9-1,1 % (масс.) №, изготовленные методом электронно-лучевого переплава на ГНПП «Цирконий», г. Днепродзержинск (в настоящее время г. Каменское), а также изготовленные из них горячепрессованные и холоднокатаные трубы. По содержанию химических элементов заготовки и трубы соответствовали требованиям нормативных документов, кроме содержания кислорода, которое в некоторых слитках превышало допускаемый верхний предел (0,010 %) [7].
Структуру сплава исследовали методами металлографии, просвечивающей электронной микроскопии, микродифракции, кристаллографии; при исследовании границ зерен использованы также теоретические методы.
Оценку технологической пластичности и механических свойств литого и деформированного сплава проводили путем испытаний образцов на растяжение. Ориентацию гидридов в структуре готовых труб-оболочек твэл оценивали металлографическим методом после искусственного наводо-роживания образцов, коррозионные испытания проводили путем автоклавирования в воде и паре высоких параметров [10].
5. Результаты исследований и их обсуждение
5.1. Исследование структуры и р^а превращения в литом сплаве Zr-1Nb.
Макроструктура исходного литого сплава 2г-1№ характеризуется разнозернистостью с наличием наряду с мелкими, - очень крупных, зёрен р-фазы, диаметром до 30 мм. Такая структура обусловливает пониженную пластичность и неоднородность механических свойств сплава: стВ=580...668 Н/мм2, ст0,2=520...539 Н/мм2, 55=10...15 %, у=17...30 %.
Необходимость обеспечения удовлетворительной пластичности в изготовленных из литого сплава горячедеформированных передельных трубах потребовала разработки такой технологии горячей деформации слитка, которая бы сопровождалась полигони-зацией, рекристаллизацией и измельчением р-зерна.
Металлографические исследования показали, при замедленном охлаждении слитка из сплава 2г-1№ в р-зернах образуется характерная квази-монотектоидная реечная структура, в которой между рейками а-циркония отчетливо видны прослойки второй фазы (рис. 1). Это означает, что происходит реакция кооперативного распада р-твёрдого раствора ниобия в цирконии с образованием двух дочерних фаз: свободного от ниобия а-циркония (в виде пакетов плоско-параллельных пластин) и тонких разветвлённых прослоек р-ниобия между а-рейками. Группы широких и узких пластин в пакетах находятся в непосредственной близости друг к другу, причем, в их расположении проявляется определенная периодичность (рис. 1), пластины в пределах пакета строго следуют одной кристаллографической плоскости.
Рис. 1. Пакетная структура в литом сплаве ZrlNb, *500
5.2. Исследования специальных границ в сплаве Zr-1Nb.
Сведения о существовании большеугловых границ зёрен, которые можно было бы отнести к специальным на основе концепции решеток совпадающих узлов (РСУ), в цирконии, титане и других металлах и сплавах, имеющих гексагональную плотно упакованную (ГПУ) кристаллическую решётку, характеризующуюся высокой энергией дефекта упаковки, практически отсутствуют. Однако нами ранее было показано, что в мартенситных структурах, то есть в таких, которые образуются сдвиговым путём с соблюдением ориентационных соотношений между материнской и дочерней фазами, могут формироваться специальные границы (СГ). Поэтому было сделано предположение, что и в циркониевых сплавах, в частности, в сплаве ZrlNb, в котором присутствуют реечные структуры, аналогичные мартенситным или бейнитным, также могут реализоваться специальные или близкие к ним границы.
Известно, что в цирконии и его сплавах при фазовом превращении р^а' соблюдается ориента-ционное соотношение (ОС) Бюргерса [1]:
{011}р || (0001)а; [111 ]р || [112|0]а.
Такая закономерность приводит к тому, что продукты превращения одного монокристалла Р-фазы могут иметь несколько вариантов ориентаций, отличающихся друг от друга поворотами вокруг некоторых осей. В первом приближении можно полагать, что на плоскости (011)р можно расположить плоскость (0001)а в двух позициях (рис. 2). Первая, когда направление [112|0]а параллельно [11|1]р, вторая позиция может быть получена путём совмещения направления [2111 |0]а с другим ([ 1111] р), лежащим в этой же плоскости (011)р.
Рис. 2. Схема сопряжения решёток в и а• фаз при мартенситном превращении в цирконии и его сплавах при соблюдении ОС Бюргерса
В нашем случае направление [2111 |0]а идентично направлению оси а1. Таким образом, два кристалла а-фазы будут иметь одну общую плоскость (0001)а, в которой они будут повёрнуты вокруг оси с на угол около 10°. С другой стороны, в ОЦК решётке имеется шесть различно ориентированных плоскостей (011), на которых могут быть расположены по два варианта кристаллов а-фазы. Таким образом, всего могут образоваться 12 вариантов кристаллов а-фазы в одном р-кристалле. Для определения возможного их взаимного расположения между собой, рассмотрено, какие углы могут быть между плоскостями {011} в кубической решётке. Кристаллографический анализ показал, что существуют три, и только три угла между плоскостями {011}, а именно, 60, 90 и 120°. Таким образом, отличающиеся границы создают варианты расположения кристаллов по плоскостям {011}, ориентация которых соответствует поворотам на углы 60 и 90°. В случае поворота на угол 60°, плоскости {011} пересекаются по направлениям <111>, а при повороте на 90° - по направлениям <001>. Именно эти направления являются осями поворота, если рассматривать возникновение решёток совпадающих узлов при расположении кристаллов а-фазы по плоскостям {011}. Если наложить две узловые сетки, отвечающие сечению по плоскости (112|0), повёрнутые на 60°, то возникает полученная путём компьютерного моделирования картина, представленная на рис. 3, а. На ней видно, что строгое совпадение узлов (атомов) отсутствует (рис. 3).
Рис. 3. Решётки двух кристаллов а-фазы циркония, повёрнутых на 60° вокруг оси [112|0]а||[111]р: 1 - общий вид; 2 - увеличенная деталь сопряжения решёток
Однако, при рассмотрении ближайших узлов обнаруживается, что они находятся в положении, близком к совпадению и видно, что при дополнительном повороте на угол 2° они окажутся совпадающими (рис. 3, б). В терминах РСУ такая решётка имеет обратную плотность совпадающих узлов Е13. Это отчетливо видно на рис. 4, где ячейки РСУ выделены пунк-
тиром. Из него можно определить, что количество ячеек одной из решёток, которое она содержит на один совпадающий узел, равно 13. Поворот этого же сечения ГПУ решётки на угол 90° приводит к почти полному совпадению узлов через каждые 5 периодов вдоль направления [0001] и через каждые 8 периодов вдоль направления [112|0] (рис. 5), что отвечает Е=41.
OCb[l120]ii2
Рис. 4. Схема образования РСУ с Е=13 при повороте плоскости (11210) ГПУ решетки циркония вокруг оси [11100] на угол 58°. Ячейки РСУ отмечены пунктиром, совпадающие узлы - чёрными кружками
На рис. 6 показан результат геометрического моделирования образования решетки совпадающих узлов в случае, когда два кристалла а-фазы имеют общую плоскость (0001)а, в которой они повёрнуты вокруг оси с на угол 9,43°. При этом образуется РСУ с ячейкой, выделенной прямоугольником. Вычисления показывает, что она содержит 74 элементарных ячейки и 2 совпадающих узла: один в центре ячейки и четыре четвертых доли в углах прямоугольника, что соответствует обратной плотности совпадающих узлов Е37. Вокруг каждого точно совпадающего узла располагаются 6 пар почти совпадающих узлов (обозначены крестообразными метками на рис. 6). Если допустить релаксационные смещения таких атомов на « 7 % от межатомного расстояния в направлении [1100]а, то количество совпадающих узлов возрастёт от одного до четырнадцати и свойства такой границы будут близки к свойствам теоретической специальной границы Е=7.
Рис. 5. Образование РСУ Е=41 при повороте ГПУ решетки циркония вокруг оси [1100] на 90°: 1 - совпадающие узлы в точках О-А-Б-В-Г-Д-Е-Ж-З; 2 - увеличенное изображение окрестностей узла В
[1120]
Рис. 6. Машинное геометрическое моделирование образования РСУ с Е=37 (Х=7) в ГПУ решётке при
повороте плоскости (0001)а на угол 9,43° вокруг [0001]а
Электронно-микроскопические исследования образцов литой трубной заготовки, показали, что в пакетной структуре соседние рейки мартенсита имеют ориентации кристаллических решёток, которые подтверждают наличие между ними взаимной ориентации, отвечающей РСУ (рис. 7). На рис. 7, а показаны две соседние пластины а-циркония, решётки которых находятся во взаимной ориентации, отвечающей РСУ Е=37, для образования которой необходим поворот решёток на угол 9,43° вокруг [0001]а. На микродифракционной картине (рис. 7, б) рефлексы от одноимённых плоскостей зоны [0001]а размыты в азимутальном направлении на 1,0... 1,5°, но между лучами, идущими через их центры, угол составляет « 9,1° (рис. 7, б, в), что отвечает теоретическому углу 9,43° для границы Е=37.
Таким образом, теоретические предпосылки и результаты экспериментальных исследований показывают, что после высокотемпературного индукционного нагрева слитка, горячего прессования со значительными деформациями (вытяжка ц^25) и последующей закалки заготовки из сплава 2г-1№ в структуре между мартенситными кристаллами формируется значительное количество особых, специальных в концепции РСУ низкоэнергетических границ. Их атомное строение и высокая проницаемость для движущихся дислокаций позволяют при последующих технологических операциях получить удовлетворительную технологическую пластичность передельных труб и однородную структуру и требуемые свойства готовых труб оболочек тепловыделяющих элементов.
Кроме того, применение скоростных термических и деформационных технологических операций позволяет отказаться от традиционного покрытия слитков защитной оболочкой из меди (от свойственного циркониевым сплавам газонасыщения), а также способствует получению сравнительно мелкого зерна в заготовках под холодную деформацию и таким образом стабилизировать управляемость всего технологического цикла производства труб-оболочек твэл.
Рис. 7. Тонкая фольга из закалённого сплава 2г1№: а - электронномикроскопическое изображение специальных границ между пластинами в а-мартенсите; б - микродифракционная картина (МДК) от участка, выделенного селекторной диафрагмой ё = 1,5 мкм на рис. (а); в - схема индексации МДК
Результаты исследования и установленные вышеуказанные факторы были использованы и учтены при разработке технологии производства труб-оболочек твэл из сплава 2г-1№ в Украине.
По разработанной технологии были изготовлены опытные партии труб-оболочек твэл 0 9,13 х вн. 7,72 мм из сплава 2г-1№. Результаты комплексных исследований показали высокое качество полученных труб (табл. 1) и соответствие их по основным качественным характеристикам требованиям опытных технических условий Украины и зарубежным аналогам [7, 10].
а
б
в
Таблица 1
Результаты испытаний опытной партии труб-оболочек твэл_
Показатели качества фактические требования ТУ
Механические свойства труб: ств, Н/мм2 ст0 2, Н/мм2 85, % ств, Н/мм2 ст0,2, Н/мм2 85, %
при комнатной 1° в продольном / поперечном направлении 555-600/ 590-635 440-485/ 535-610 33,5-40,5/ 28,0-33,0 не менее
277,0 210,0 28,0
при 1=380 °С в продольном / поперечном направлении 220-230/ 223-235 120-135/ 200-220 52,5-60,0/ 46,8-50,0 - / 148,0 80,0 / 130,0 - / 33,0
Коэф. анизотропии при 1=380 °С 1,58-1,7 не менее 1,4
Коэф. ориентации гидридов 0,20-0,40 не более 0,4
Удельный привес массы образца 14,0-16,0 мг/дм2 <2 2 мг/дм2
6. Выводы
1. Показана эволюция структуры и свойств сплава 2г-1№ в процессе температурно-деформационных обработок при изготовлении в Украине опытной партии труб-оболочек по альтернативной технологии.
2. Впервые в мартенситных структурах (Р-фазе) литого и горячедеформированного циркониевого сплава с гексагональной плотноупакованной решеткой найдены специальные низкоэнергетические границы. Показана их роль в формировании структуры и повышении технологической пластичности горячепрессованных передельных труб.
3. Установлена возможность изготовления из сплава 2г-1№ по разработанной технологии труб-оболочек тепловыделяющих элементов рабочей зоны реакторов атомных электростанций, которые по основным качественным характеристикам не уступают зарубежным аналогам.
4. Представленные результаты свидетельствуют о перспективности продолжения работ по разработке технологии промышленного производства труб-оболочек твэл из сплава циркония с целью создания в Украине замкнутого ядерно-топливного цикла и обеспечения энергетической независимости.
Литература
1. Займовский, А. С., Никулина, А. В., Решетников, Н. Г. (1994). Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. Москва: Энергоатомиздат, 256.
2. Foster, J. P. et. al. (1993). Pat. 5230758 USA. Method of processing Zirlo material for light water reactor application. MKI5 с 22 с 16/00. No. 854044; declareted: 18.03.92; published: 27.07.93, NKI 148/672.
3. Ажажа, В. М., Вахрушева, В. С., Дергач, Т. А. и др. (1999). Технология изготовления изделий из циркониевых сплавов для атомной энергетики и некоторые свойства сплавов циркония. Харьков: ИФТТМ ННЦ ХФТИ, 115.
4. Некрасова, Г. А. (1988). Промышленное производство циркония и изделий из циркониевых сплавов для ядерной энергетики за рубежом. Цирконий в атомной промышленности. Москва, 16, 60-69.
5. Актуганова, Е. Н., Заводчиков, С. Ю., Котрехов, В. А. и др. (1999). Совершенствование производства изделий повышенного качества из циркониевых сплавов. Проблемы циркония и гафния в атомной энергетике. Алушта, 7-8.
6. Тenckhoff, E. (2006). Review of deformation mechanisms, texture, and mechanical anisotropy in zirconium and zirconium base alloys. Zirconium in Nuclear Industry. West Conshohocken, 25-50.
7. ASTM B 350-91. Standard Specification for Zirconium and Zirconium Alloy Ingots for Nuclear Application; ASTM Committee B-10 on Reactive and Refractory metals and All (1991). Current edition approved, 60, 3-5.
8. Вахрушева, В. С., Сухомлин, Г. Д., Дергач, Т. А. и др. (2002). Разработка принципиальной технологической схемы промышленного производства труб-оболочек твэл из сплав Zr1Nb в Украине. ВАНТ. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 6, 84-87.
9. Вахрушева, В. С. (2014). Проблемы создания циркониевого производства в Украине. ВАНТ. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 2 (90), 62-67.
10. Вахрушева, В. С., Сухомлин, Г. Д., Дергач, Т. А. (1999). Комплексная оценка качества изготовленных в Украине первых опытных партий труб-оболочек ТВЭЛ из сплава Zr1Nb. ВАНТ. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 2 (7), 27-32.
Received date 05.11.2019 Accepted date 22.11.2019 Published date 30.12.2019
Сухомлин Георгий Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, кафедра материаловедения и обработки материалов, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная, академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24а, г. Днепр, Украина, 49600 E-mail: g_suhomlin@ukr.net
Дергач Татьяна Александровна, доктор технических наук, кафедра материаловедения и обработки материалов, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная, академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24а, г. Днепр, Украина, 49600 E-mail: ta_dergach@i.ua
