Закономерности изменения кристаллографической текстуры и физико-механических свойств сплавов на основе циркония в температурном интервале 20-1200 °С тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Столбов Сергей Данилович

• Столбов Сергей Данилович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Столбов Сергей Данилович

1.1. Влияние кристаллографической текстуры на термические свойства циркониевых сплавов

1.2. Кривые термического расширения изделий из зарубежных и отечественных циркониевых сплавов

1.2.1. Термическое расширение чистого циркония

1.2.2. Термическое расширение отечественных и зарубежных сплавов на основе циркония

1.3. Изменение структуры и текстуры циркониевых сплавов при ФП

1.4 Влияние напряженного состояния на ФП

1.4.1. Появление ГЦК-фазы в гексагональных металлах

1.4.2 Динамические процессы при горячей деформации

1.4.3. Влияние напряженного состояния на протекание ФП

1.5. Структурные и кристаллографические особенности нанесения защитных покрытий

на оболочки твэлов и их поведение в аварийной ситуации

Выводы к главе

Глава 2. Методы анализа кристаллографической текстуры, структуры и физико-механических свойств сплавов на основе циркония

2.1. Рентгеновские методы исследования структурно-фазового состояния и текстуры циркониевых изделий

2.1.1. Высокотемпературное измерение параметров кристаллической структуры и ТКЛР а-фазы

2.1.2. Метод измерения неполных прямых полюсных фигур для исследования кристаллографической текстуры циркониевых изделий

2.1.3. Метод построения обобщенных прямых полюсных фигур

2.1.4. Построение полных прямых полюсных фигур (ПППФ)

2.1.5. Расчет интегральных текстурных параметров Кёрнса

2.1.6. Расчет изменения размеров текстурованных изделий при нагреве по данным рентгеновского анализа

2.1.7. Расчет контуров текучести по данным о кристаллографической текстуре

2.2. Дилатометрические измерения оболочечных труб и прутков

2.3. Особенности подготовки образцов циркониевых сплавов для экспериментов

2.3.1. Подготовка образцов для высокотемпературного рентгеновского определения

параметра кристаллической структуры

2.3.2 Подготовка прутков и оболочечных труб для исследования текстуры и микроструктуры

2.3.3. Подготовка образцов для дилатометрических измерений в трех направлениях

2.3.4. Подготовка образцов канальных труб для исследования анизотропии термического расширения и ФП под нагрузкой

Выводы к главе

Глава 3. Влияние текстуры и фазового состава изделий из циркониевых сплавов на их формоизменение в интервале температур 20-1200 °С

3.1. Закономерности термического расширения изделий из сплава Э110 опт с разной текстурой

3.1.1. Особенности термического расширения изделий в интервале температур 20600 °С

3.1.2. Закономерности термического расширения при ФП в сплаве Э110 опт

3.1.3. Аналитическое выражение для дилатометрической кривой в интервале температур 20-1200 °С

3.2. Влияние текстуры и фазового состава труб из сплава Zr-2,5Nb на их термическое расширение

3.2.1. Структура и кристаллографическая текстура исходных образцов

3.2.3. Особенности ТКЛР деформированных и отожженных канальных труб в

температурном интервале 20-1200°С

Выводы к главе

Глава 4. Ориентационная зависимость протекания фазовых превращений в циркониевых сплавах

4.1. Изменение фазового состава циркониевых изделий после циклов а^-р^-а-ФП

4.2. Закономерности изменения кристаллографической текстуры циркониевых изделий в результате а^-р^-а-ФП

4.3. Влияние напряженного состояния на протекание ФП

4.3.1. Активизация ФП в кольцевых образцах при воздействии внешней нагрузки

4.3.2. Изменение ориентированного роста зерен а-фазы при охлаждении из Р-фазы в присутствии направленной нагрузки

4.3.3. Изменение механических свойств и поведение материала под нагрузкой при высокой температуре

Выводы к главе

Глава 5. Роль кристаллографической текстуры защитных покрытий на оболочечной трубе из циркониевых сплавов

5.1. Исследованные оболочечные трубы с нанесенным на них покрытием

5.2. Кристаллографическая текстура, структура и фазовый состав нанесенного покрытия и подложки в исходном состоянии

5.3. Влияние покрытия, нанесенного на оболочечную трубу, на протекание ФП в сплаве Э110 опт

5.4. Влияние структуры и текстуры покрытия на высокотемпературное окисление оболочечных труб

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Список использованных источников

Приложение 1. Акт об использовании результатов в АО ВНИИНМ

Приложение 2. Акт об использовании результатов в ПАО МСЗ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Малолегированные сплавы на основе циркония являются основными конструкционными материалами активной зоны ядерных реакторов на тепловых нейтронах, благодаря оптимальному комплексу эксплуатационных характеристик. Кристаллическая структура низкотемпературной модификации гексагонального циркония обусловливает существенную анизотропию термического расширения изделий из сплавов на его основе. В результате анизотропного расширения зерен разных ориентаций на границах между ними возникают напряжения, которые могут релаксировать при разных температурах с помощью многообразных процессов, реализующихся в поликристаллических материалах. К тому же, повышение температуры сказывается на изменении размеров эксплуатируемых изделий, что обеспечивает появление макронапряжений в конструкции в целом, обуславливающих термическую ползучесть. Поведение материала при повышении температуры является неотъемлемой составляющей процессов, происходящих в изделии при дополнительном воздействии нейтронного облучения. В условиях интенсивного поиска материалов покрытий для создания более прочных и коррозионностойких при аварийных ситуациях оболочечных труб вопросы их термического расширения являются первоочередными.

Температурные зависимости термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) позволяют разобраться в физических процессах, протекающих в сплавах при нагреве и охлаждении. Знание закономерностей изменения внешних размеров изделия при нагреве и охлаждении позволит целенаправленно создавать структурно-фазовое состояние и кристаллографическую текстуру материала, обеспечивающие минимальные размерные изменения. Также распределение базисных нормалей полностью определяет анизотропию физико-механических свойств изделий.

Наряду с данными по термическому расширению, кристаллографическая текстура оказывается чувствительным индикатором к процессам, происходящим при фазовых превращениях (ФП) и рекристаллизации. Не случайно по этой причине по данным об ориентации базисных нормалей прогнозируют поведение изделия при термическом расширении. Следует заметить, что ориентация призматических нормалей также должна сказываться на развитии процессов, определяющих конечные размеры изделий, поскольку их ориентация определяет ориентацию Р-фазы на стадии нагрева и, следовательно, последующие особенности зарождения зерен анизотропной а-фазы при охлаждении от температуры однофазной области существования Р-фазы.

Для прогнозирования поведения изделий в аварийных ситуациях при температурах выше эксплуатационных необходимо знать закономерности протекания ФП, так как они являются фактором, существенно влияющим на динамические процессы в двухфазной области, приводящие к нелинейным зависимостям формоизменения изделия, а также на его конечные размеры. На протекание процесса влияет исходное структурно-фазовое состояние изделия, его кристаллографическая текстура и параметры нагрева. Стоит отметить, что немаловажным является рассмотрение особенностей протекания ФП в присутствии направленной нагрузки, так как в реальных условиях нагрев изделия сопровождается изменением напряженного состояния.

Таким образом, изучение физических процессов, протекающих в циркониевых сплавах при их нагреве и охлаждении, и прогнозирование поведения изделий при их термическом расширении представляет собой актуальную задачу и должно базироваться на систематических дилатометрических и структурных исследованиях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности изменения кристаллографической текстуры и физико-механических свойств сплавов на основе циркония в температурном интервале 20-1200 °С»

Цель работы

Целью данной работы являлось выявление закономерностей изменения кристаллографической текстуры и термического коэффициента линейного расширения при нагреве и охлаждении изделий из отечественных циркониевых сплавов в интервале температур 20-1200 °С.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Установить влияние структурно-фазового состояния и текстуры изделий из циркониевых сплавов на их термическое расширение в температурном интервале от 20 до 1200°С.

2. Выявить закономерности формирования Р-зерен в а-матрице при а-Р ФП в зависимости от распределения наклепа в зернах различных ориентаций деформированной структуры.

3. Получить аналитические зависимости термического расширения оболочечных труб из отечественных сплавов на основе циркония в осевом и тангенциальном направлениях.

4. Оценить влияние приложенной нагрузки на выполнение ориентационного соотношения при обратном Р-а ФП на стадии охлаждения сплава от высокотемпературной Р-области.

5. Провести анализ взаимодействия защитного хромового покрытия с оболочечными трубами из сплава Э110 в температурном интервале до 1200 °С.

Научная новизна работы

1. Впервые предложены аналитические выражения для описания кривых термического расширения отечественных сплавов на основе циркония, учитывающие текстурные и структурные характеристики исходного материала, в интервале температур 20-1200°С.

2. Впервые обнаружено, что ориентация призматических нормалей, характеризующая степень рекристаллизации сплава, существенно влияет на его формоизменение при охлаждении из температурной области существования Р-фазы. Установлено, что создание в изделии текстуры рекристаллизации, когда нормали <112 0> параллельны направлению прокатки, обеспечивает минимальные отклонения размеров изделия от линейной зависимости при нагреве и охлаждении.

3. Впервые установлено, что а-Р ФП в циркониевых сплавах происходит в растянутых зернах деформированной а-матрицы, соответствующих склонам текстурных максимумов в распределении базисных нормалей и характеризующихся наиболее совершенной структурой.

4. Впервые обнаружено влияние величины внешней приложенной нагрузки на протекание обратного Р-а ФП и выяснено, что сжимающие напряжения величиной 6-9 МПа при температуре начала обратного ФП приводят к подавлению роста а-зерен с ориентацией базисной нормали вдоль направления сжатия или при их отклонении до 45°, что влечет за собой существенное перераспределение между теоретически предсказываемыми текстурными компонентами а-фазы.

5. На основании экспериментов по высокотемпературному окислению оболочечных труб с хромовыми покрытиями при температурах до 1150 °С впервые показано, что мелкодисперсные столбчатые кристаллы хромового покрытия с ориентацией нормалей <111> вдоль радиального направления обеспечивают его высокие защитные свойства рекристаллизованных оболочечных труб из отечественных сплавов.

Научная и практическая значимость работы

В данной работе представлены новые знания о влиянии исходной кристаллографической текстуры и структурно-фазового состояния на формоизменение изделий из циркониевых сплавов при нагреве до высоких температур, которые позволят прогнозировать их поведение в аварийных ситуациях и давать рекомендации по изготовлению изделий с определенными текстурными и структурными параметрами. При этом полученные данные позволят прогнозировать напряженное состояние изделия в реакторе.

Для нанесения защитных покрытий при создании толерантного топлива практическая значимость работы заключается в установлении закономерностей поведения хромового покрытия при высокотемпературном окислении. В работе удалось показать возможность повышения защитных функций циркониевой оболочки твэла с хромовыми покрытиями.

Полученные в ходе диссертационного исследования результаты использованы при выполнении НИР по проектам:

- договор с АО «ВНИИНМ» на выполнение НИР от 01.06.2018 № 310/26/7565-Д «Определение теплоемкости и ТКЛР сплава Э110опт. в диапазоне температур от 20°С до 1200°С с учетом структурно - фазового состояния»

- договор с ПАО «МСЗ» от 10.11.2016 №00-7-009-2016 «Анализ текстурных особенностей ячеек дистанционирующих решеток из сплава на основе циркония и разработка рекомендаций по оптимизации технологического процесса их производства в ПАО «МСЗ»

- проект РФФИ № 19-32-90041 «Аспиранты» на выполнение НИР по теме «Исследование влияния напряженного состояния на протекание фазовых а-Р-а-превращений в сплавах на основе циркония»

Основные положения, выносимые на защиту

1. Выявленная зависимость локализации протекания ФП от структурного и напряженного состояния зерен разных ориентаций в деформированных циркониевых сплавах.

2. Установленное влияние внешней приложенной нагрузки на реализацию ориентационного соотношения Бюргерса при протекании Р-а ФП в циркониевых сплавах.

3. Обнаруженное влияние ориентации призматических нормалей зерен а-2г на формоизменение изделий в процессе цикла а-Р-а ФП в температурном интервале 20-1200°С.

4. Установленные аналитические выражения для расчета термического расширения в осевом и тангенциальном направлениях оболочечных труб из сплава 2г-1%№ в температурном интервале 20-1200 °С по данным об установленных закономерностях изменения их структуры и кристаллографической текстуры а-2г.

5. Обнаруженная зависимость защитных коррозионных свойств хромового покрытия от его структуры и преимущественной кристаллографической ориентации, а также от текстуры оболочечной трубы.

Достоверность научных положений, результатов и выводов обусловлена применением комплекса общепризнанных методов исследования и современного сертифицированного оборудования, воспроизводимостью экспериментальных результатов и оценкой величины погрешности измерений. Анализ результатов исследований основан на современных представлениях о структуре и физических свойствах изучаемых материалов. Теоретические положения не противоречат литературным и известным экспериментальным результатам. Экспериментальные результаты, полученные методами рентгеновского анализа и дилатометрии, согласуются между собой. Получены акты об использовании результатов.

Личный вклад автора

Адаптация известных рентгеновских методик, участие в настройке оборудования и проведение высокотемпературных рентгеновских исследований, изготовление образцов из циркониевых изделий, съемка на рентгеновских дифрактометрах и последующий анализ результатов выполнены лично автором или при его непосредственном участии. Автор принимал участие в постановке задач, планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Юбилейная XV Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа (Москва 2017), 15-я Международная школа-конференция для молодых ученых и специалистов «Новые материалы - материалы инновационной энергетики: разработка, методы исследования и применение» (Москва 2017), 16-я Международная школа-конференция для молодых ученых и специалистов «Новые материалы - Толерантное ядерное топливо» (Москва 2018), IX-ая Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур - ПРОСТ 2018» (Москва 2018), 17-я Международная школа-конференция для молодых ученых и специалистов ««Новые материалы: Перспективные технологии» (Москва 2019), Всероссийская научно-техническая конференция «Материалы ядерной техники МАЯТ-2019» (Москва 2019), NuMat2020: The Nuclear Materials Conference (онлайн-формат, 2020), The 19th International Conference on Textures of Materials (ICOTOM 19) (онлайн-формат, 2021).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах, из них 6 статей в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 5 - входящие в базы данных Scopus, 3 работы в ISI Web of Science.

Объем и структура диссертации

Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста, 104 рисунка, 6 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 1 25 наименований и двух приложений.

Глава 1. Зависимость физико-механических свойств сплавов на основе циркония от их фазового состава и кристаллографической текстуры 1.1. Влияние кристаллографической текстуры на термические свойства

циркониевых сплавов

В работах [1-3] описана связь между термическим расширением поликристаллических материалов и их кристаллографической текстурой. На рисунке 1.1 представлена зависимость линейного термического расширения от интегральных текстурных параметров Кернса для разных температур.

Рисунок 1.1 - Зависимость линейного термического расширения листов из сплава 21геа1оу-4 от интегральных текстурных параметров для разных температур [1]

О! 0.2

С4 05

0.8 0.9

Параметры Кернса

Таким образом, кристаллографическая текстура является определяющим фактором поведения изделия (листа) при нагреве.

Текстурный параметр Кернса /т следующим образом связан с коэффициентами термического расширения трубы ад и аг вдоль радиального и тангенциального направлений [4,5]:

ак = ас/к + аа(1 - /к) и ат = ас/г + аа(1 - /г), где ас и аа - коэффициенты термического расширения монокристалла а-2г вдоль осей с и а.

В работе [2] более подробно описана методика расчета термических и упругих свойств с помощью параметров кристаллографической текстуры. Более того, в ней описана связь коэффициента термического расширения с тензором упругих модулей.

В работе [3] изучалось влияние послойной текстурной неоднородности оболочечной трубы на коэффициенты термического расширения. По выявленной текстурной

неоднородности труб можно оценить различия эффектов термического расширения и сжатия в разных слоях трубы, а затем - возникающие вследствие этого напряжения. В данной работе это делалось для того, чтобы оценить ориентацию гидридов, зависящую от ориентации базисных нормалей и возникающих напряжений между слоями.

1.2. Кривые термического расширения изделий из зарубежных и отечественных

циркониевых сплавов 1.2.1. Термическое расширение чистого циркония

Термическое расширение чистого циркония тщательно изучено как рентгеновскими методами измерения температурной зависимости параметров кристаллической структуры, так и дилатометрическими измерениями. На рисунке 1.2-а представлены зависимости температурных коэффициентов линейного расширения от температуры в направлении осей а и с, а на рисунке 1.2-б - диапазон изменения коэффициентов для моно- и поликристаллов [6].

Л ,

10 6град'1

9

8

7

(

6

5

4100 loo 500 Т?С 0 100 200 300 400 500 600 700 Г, "О

а б

а - средние коэффициенты, б - диапазон изменения коэффициентов: 1, 2 -монокристаллы, 3 - поликристаллический цирконий Рисунок 1.2 - Температурные зависимости коэффициентов линейного расширения

циркония [6]

В работе [7] термические коэффициенты линейного расширения измерены с помощью рентгеновских методов, в результате которых получены уравнения кривых расширения чистого циркония:

— (1 оси с) = 1 + 5,145 • 10-6Г ¿0

^(11 оси с) = 1 + 9,213 • 10-6Г - 6,385 • 10-9Г2 + 18,491 • 10-12Г3 - 9,856 • 10-15Г4

Сложность теоретического описания кривых расширения циркония, а также его рентгеновских исследований заключается в наличии фазового а-Р-превращения, при котором происходит множество сложных процессов, описанных в последующих главах.

В работе [8] проводились дилатометрические измерения на прутках из чистого циркония с несколькими циклами нагрева-охлаждения. На рисунке 1.3 приведены результаты дилатометрических измерений чистого циркония в интервале температур от комнатной, до температуры плавления.

Рисунок 1.3 - Температурная зависимость расширения циркония, измеренная на высокотемпературном (1) и низкотемпературном дилатометре (2) [8]

1-й нагрев

2-й нагрев

3-й нагрев

4-й нагрев

Рисунок 1.4 -Высокотемпературная область кривых расширения чистого циркония при четырех циклах нагрева [8]

1273 1473

тук

В процессе первого нагрева деформированных образцов наблюдается рекристаллизация при температурах порядка 900 К. При этом наблюдается аномальное изменение длины цилиндрического образца. На рисунке 1.4 изображена высокотемпературная область дилатометрических кривых, полученных в процессе четырех циклов нагрева. Из рисунка видно, что кривая первого нагрева сильно отличается от остальных. Это как раз результат аномального поведения деформированного образца при рекристаллизации и ФП. При втором и последующих нагревах рекристаллизации не наблюдается, и кривые выглядят примерно одинаково. При этом в процессе многочисленных нагревов наблюдается сильный рост зерна.

1.2.2. Термическое расширение отечественных и зарубежных сплавов на основе

Основыным легирующим элементом циркония в отечественных сплавах является ЫЬ. Основные сплавы - Э110 (2г-1%ЫЬ) и Э125 (2г-2,5%ЫЬ) - являются сильно анизотропными материалами в отношении термического расширения в связи с преобладанием в сплаве анизотропной а-фазы с гексагональной плотноупакованной структурой. В работе [9] проведено расчетно-экспериментальное исследование тепловых свойств сплавов Э110 и Э125, результаты которого приведены на рисунке 1.5.

1 - ац, 2 - а22, 3 - азз,--расчет,----эксперимент

Рисунок 1.5 - Температурная зависимость коэффициента теплового расширения монокристалла а-2г и прокатанных пластин сплавов Э110 (а) и Э125(б) [9]

В основном результаты измерений лежат в области, ограниченной коэффициентами теплового расширения монокристалла а-2г. Исключение составляет коэффициент теплового расширения образцов, вырезанных из пластины Э110 в направлении прокатки. Для обоих исследованных сплавов наблюдается тенденция уменьшения экспериментально измеренной суммы коэффициентов в трех направлениях ап+а22+азз на 5-10% по сравнению с расчетной. Особенно это заметно при температурах выше 573 К, что, по-видимому, объясняется эффектом взаимодействия зерен.

Расчеты теплового расширения труб из сплавов Э110 и Э125 в работе [9] показали, что анизотропия термического расширения больше анизотропии упругости, поэтому ее роль в расчетах напряженно-деформированного состояния изделий из сплавов циркония будет более существенной.

циркония

273 373 473 573 673 Т^ 273 373 473 373 673 Т, К

Для расчета свойств зарубежных сплавов в США существуют программные пакеты МАТРЯО и БКАРТЯАК, позволяющие с достаточной точностью определить все необходимые тепловые свойства материалов ядерных реакторов.

На рисунках 1.6-1.7 представлены результаты расчета кривых термического расширения для оболочечных труб из сплава 21геа1оу-4 с помощью программных пакетов МАТРЯО и БКАРТЯАМ в осевом и диаметральном направлении [10]. Стоит отметить, что фазовое а-Р-превращение в циркониевых сплавах происходит при разных температурах и в двухфазной области наблюдается уменьшение размеров образца.

1.0Е-02 ^ У.ОЕ-ОЗ

а

8.0Е-03 § 7.0Е-03

Рн

| 6.0Е-03

§ 5.0Е-03 &

й 4.0Е-03 §

й З.ОЕ-ОЗ

§ 2.0Е-03 &

Н 1.0Е-03

0.0Е+00

-РРАР Ах1а1 МАТРРО Ах1а1 Виппе! Ах1а1

Кеатэ, БсоМ, апс! МеЬап Ах1а1

200 400 600 800 1000 1200

Температура, К

1400 1600

1800

Рисунок 1.6 - Расчетная кривая термического расширения оболочечной трубы из сплава 21геа1оу-4 в осевом направлении [10]

1.0Е-02

^ 9.0Е-03

^ 8.0Е-03 е

ИЗ 7.0Е-03 е

& 6.0Е-03 0

8 5.0Е-03 р

ё 4.0Е-03 и

| з.оЕ-оз

!! 2.0Е-03 р

еТ

ЕРАР Оттека! МАТРРО □¡ате1га1 Виппе! □¡ате^а! Кеатэ, ЭсоН, апс! МеЬап □¡ате1га1

0.0Е+00

200 400 600 800 1000 1200

Температура, К

1400 1600

1800

Рисунок 1.7 - Расчетная кривая термического расширения оболочечной трубы из сплава 21геа1оу-4 в диаметральном направлении [10]

Приведенные кривые описаны эмпирическими уравнениями в однофазных областях существования а- и Р-фаз. Термическое расширение а-фазы описано уравнениями:

£аХ1а1 = -2,5060 • 10-5 + 4,4410 • 10-6Г Ссиатекси = -2,3730 • 10-5 + 6,7210 • 10-6Г Термическое расширение Р-фазы:

= -8,300 • 10-3 + 9,70 • 10-6Г ^¿ат^аг = -6,800 • 10-3 + 9,70 • 10-6Г В работе [11] исследовалось влияние нескольких циклов нагрева-охлаждения деформированных оболочечных труб из сплава 2гу-4 до температуры 1473 К. На рисунке 1.8 показаны кривые термического расширения, полученные в процессе трех циклов нагрев-охлаждение.

Температура, К

Рисунок 1.8 - Три цикла термического расширения оболочечных труб из сплава 21гса1оу-4

[11]

Из рисунка видно, что при первом нагреве до 1473 К не наблюдается фазового а-Р-перехода (кривая продолжает расти), но в процессе охлаждения появляется перегиб, который точно показывает наличие фазового перехода и конечные размеры образца становятся на 0,4% больше начальных. В то же время при последующих нагревах и охлаждениях наблюдается перегиб в области фазового превращения (ФП). По всей видимости остаточные напряжения после деформации тормозят ФП, и для корректных результатов необходимо проводить предварительный рекристаллизоционный отжиг перед испытаниями. В связи с этим при втором и третьем цикле дилатометрическая кривая ведет себя привычным образом, т.к. после первого нагрева произошли рекристаллизационные процессы. В работе [12] говорится, что главный перегиб на кривой изменения размеров может быть связан не только с основным фазовым а-Р-превращением, но и эффектом

сверхпластичности, возникающим в двухфазной а+Р-области, вследствие зернограничного проскальзывания [13].

В работе [14] термическое расширение исследовалось путем высокотемпературного рентгеновского измерения параметра кристаллической структуры в сплаве 2ЖЬО. На рисунке 1.9 приведено сравнение параметров решетки чистого циркония и сплава 2ЖЬО. Из рисунка видно, что у сплава несколько отличается коэффициент термического расширения от чистого метала, в частности, в направлении оси а наклон температурной зависимости меньше, а в направлении оси с - больше. Также в данной работе некорректно указано значение параметров для чистого циркония, которое составляет, согласно многочисленным источникам [3,6,7,15] а = 3,233, с = 5,149. Данная работа вводит в заблуждение читателей.

О 100 200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Температура, °С Температура, °С Температура, °С

Рисунок 1.9 - Температурные зависимости параметров кристаллической структуры а-фазы для чистого циркония и сплава 2ЖЬО [14]

Многие тепловые свойства связаны друг с другом. Так, например, в работе [16] описывается связь между теплопроводностью, теплоемкостью и термическим расширением, что свидетельствует о важности изучения расширения для реакторостроения. Более того, тепловые свойства напрямую связаны с изменением фазового состава, происходящего при нагреве, и являются чувствительным индикатором протекания каких-либо ФП.

Так, например, в работе [17] описывается изменение теплоемкости сплавов 2г-2,5%№ при нагреве. Известно [3,18-21], что сплавы 2г-2,5%№ (Э125), используемые для канальных труб САКОИ-реактора, при эксплуатации имеют в своем составе намеренно созданную для упрочнения ю-фазу, а также метастабильную Ргг-фазу, которая в процессе нагрева превращается в стабильную Рыъ-фазу через ю-фазу, согласно следующим уравнениям [17,22]:

Р2г ^ ш + репг Репг ^ ш + Рыь

где Ршг - Р-фаза, обогащенная ниобием.

Упрочняющая ю-фаза выделяется из Ргг-фазы в процессе длительного отжига (24ч) при температуре 400 °С [3,18-21]. Процесс ее растворения описан в работах [23,24] и показан на дифракционных спектрах образца гг-2,5%№ при разных температурах отжига, изображенных на рисунке 1.10. В работах [25,26] исследовано влияние присутствия мелкодисперсных выделений ю-фазы внутри Р-гг-фазы в тех же сплавах на механические свойства На рисунке 1.11 показано, как различается микротвердость а- и Р-фаз сплава гг-2,5%№, исследованного в работе [26], в образце В, содержащем чистую Р-гг фазу, и в образце А, в котором внутри зерен Р-гг-фазы выделились мелкие преципитаты ю-фазы.

33 (Ь)

а б

Рисунок 1.10 - Дифракционные спектры образцов гг-2,5%ЫЬ, отожженных при разных

температурах [24]

а

С

1-4

л" т

О

о

ч р

е

«

Т

Рисунок 1.11 - Влияние выделившейся в Р-зернах ю-фазы на микротвердость различных фаз сплава гг-2,5%№ [26]

Образец А

Образец В

Так как распад метастабильной Ргг-фазы идет в три этапа [22], то на температурной зависимости теплоемкости, изображенной на рисунке 1.12, при первом нагреве можно увидеть три пика ФП. На калориметрической кривой охлаждения, а также на кривых

последующих нагревов эти пики не видны, т.к. обратного превращения не происходит ввиду метастабильности Ргг-фазы.

I

а

О

Пик энтальпии 3

Пик энтальпии 1 | >

200 400 600 $00 Температура, °С

1000 1200

1.2 J

1

0.8

^—)

■ё 0.6 -

ч

а о 0.4 ■

0.2

С --

0

1.2

1

0.5

«

1ч

й 0.6 ■

ч

а

и

0.4 -

0.2 ■

200 400 600 500 Температура, °С

1000 1200

200 400 600 800 1000 1200 Температура, °С

200 400 600 300 1000 1200 Температура, °С

а - первый нагрев, б - первое охлаждение, в - второй нагрев, г - второе охлаждение Рисунок 1.12 - Калориметрические кривые образцов канальных труб [17]

Похожая картина менее выражено наблюдается и для термического расширения. На рисунке 1.13 приведены дилатометрические кривые из работы [27] для первого и второго нагревов. На кривых первого нагрева заметно некоторое отклонение от линейного характера зависимости в области существования а-фазы перед основным ФП в тангенциальном направлении, а также небольшой скачок при температуре порядка 600 °С в случае осевого направления. Связано это может быть с растворением Ргг-фазы через ю-фазу, также как и в случае с теплоемкостью.

Так как коэффициент термического расширения является тангенсом угла наклона или касательной в разных точках дилатометрической кривой, проведя касательные в определенных точках, можно рассчитать изменение объемного содержания Р-фазы при нагреве, как предлагается в работе [27,28]. Проводятся касательные к кривой термического расширения изделия при температурах существования а-фазы, начала двухфазной области и при температуре окончания ФП (обычно соответствует расширению Р-фазы). При каждой

б

а

г

температуре объемная доля Р-фазы считается, как отношение отрезка, соединяющего точку кривой и верхней касательной Ь2, и отрезка, соединяющего точку кривой и нижней касательной Ь3. Схематически данный расчет изображен на рисунке 1.14.

и

S

ч и

— Trans. - 1st Run

— Long. - 1st Run T2 / L2

/ T1 LI \ Li

T3

(a)

100 600 800 Температура, °С

а

400 600 800

Температура, °С б

а - первый нагрев, б - второй нагрев Рисунок 1.13 - Температурная зависимость изменения размеров канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb в осевом и тангенциальном направлении при первом и втором цикле

нагрева-охлаждения [27]

Доля Р-фазы при температуре T

0 200 400 В00 800 1000 1200

Температура, °С

Рисунок 1.14 - Схематическое изображение расчета объемной доли Р-фазы по

дилатометрической кривой [27,28]

1.3. Изменение структуры и текстуры циркониевых сплавов при ФП

Фазовые а^Р превращения в циркониевых сплавах происходят в соответствии с ориентационными соотношениями Бюргерса (0001)а||(110)р и <1120>а||<111>р [6]. В результате существует 12 эквивалентных вариантов ориентаций при а^Р ФП и 24 вариантов при Р^-а превращении [29], последние из которых экспериментально наблюдались в работе [30]. Если бы все варианты ориентаций были равновероятны, то после а^Р^а превращений наблюдалась бы случайная размытая текстура. Однако во многих работах наблюдается так называемая «текстурная память» - сильная текстура после

ФП, наследованная от высокотемпературной фазы, согласно ориентационным соотношениям.

В соответствии с общепринятой точкой зрения [31] рекристаллизация а-2г изменяет его текстуру прокатки только посредством поворота на 30° относительно базисных осей без видимого преобразования ППФ (0001). Вследствие этого после цикла ФП а^Р^а форма текстурных максимумов на ППФ (0001) после предшествующей рекристаллизации а-2г немного отличается от формы максимумов после прокатки. Таким образом, конечное распределение нормалей к плоскостям (0001) дает возможность определить исходное состояние обрабатываемого изделия. В конкретных условиях ФП и рекристаллизация - это конкурирующие процессы, рекристаллизационный процесс может происходить при нагреве деформированного образца до температуры начала ФП. Например, обнаружено, что при нагреве до температуры появления Р-фазы в прокатанном сплаве 21геа1оу-2 успевает произойти рекристаллизация, тогда как в сплаве 2г-2,5%№ - нет [32]. По всей видимости, перемещение межзёренных и межфазных границ вызвано похожими закономерностями, но их связь с искаженностью кристаллической структуры, распределением наклёпа и взаимной разориентацией находящихся рядом зёрен немного различны. Поэтому изменение локальных условий может приводить к ускорению или торможению развития рекристаллизации а-фазы перед а^Р ФП.

На рисунке 1. 15 изображено развитие текстуры ФП в прокатанном с промежуточными отжигами листе с очень высокой совокупной степенью деформации; в нем наблюдается совершенная текстура прокатки, которая характеризуется отклонением главных текстурных компонент (0001)±17°НН-ПН<1010> на достаточно малый угол от НН. Когда проводилась холодная деформация и не осуществлялись промежуточные отжиги (рисунок 1.16), в листах обнаружено высокое упрочнение посредством деформации и размытая кристаллографическая текстура, в которой максимумы отклонены на угловое расстояние 26° от нормального направления. Сдвиг текстурных максимумов исходного состояния при протекании ФП изображен на диаграммах распределения полюсной плотности вдоль описанных направлений ППФ(0001) до и после ФП (рисунок 1.15-в, 1.16-в). Угол между вершинами текстурных максимумов и НН увеличивается на 18° в деформированных листах и на 5° в отожженных (рисунок 1.15-в, 1.16-в).

Чёрные точки, отмеченные на рисунках 1.15-б и 1.16-б, показывают все ориентации, получающиеся при а^Р^а ФП и характеризующие смещённое положение текстурного максимума исходной текстуры деформации; они возникают при условии деформированного состояния сплава перед ФП. Может возникнуть такая ситуация, что все

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Столбов Сергей Данилович, 2022 год

Список использованных источников

1. Kearns J.J. Thermal Expansion and Preferred Orientation in Zircaloy. 1965. Vol. 4500.

37 p.

2. U.F. Kocks , C.N. Tome, H.R. Wenk. Texture and anisotropy. Cambridge University Press, 1998. 675 p.

3. М.Г. Исаенкова, Ю. А. Перлович. Закономерности развития кристаллографической текстуры и субструктурной неоднородности в циркониевых сплавах при деформации и термообработке. НИЯУ МИФИ. Москва, 2014. 528 с.

4. Tempest P.A. Preferred orientation and its effect on bulk physical properties of hexagonal polycrystalline materials // J. Nucl. Mater. North-Holland, 1980. Vol. 92, № 2-3. P. 191-200.

5. Най Д. Физические свойства кристаллов. Пер. с анг. Москва, 1967. 385 с.

6. Д. Дуглас. Металловедение циркония. Пер. с анг. Москва, 1975. 360 с.

7. Goldak J., Lloyd L.T., Barrett C.S. Lattice parameters, thermal expansions, and gruneisen coefficients of zirconium, 4.2 to 1130°K // Phys. Rev. 1966. Vol. 144, № 2. P. 478-484.

8. Petukhov V. Thermal expansion of zirconium in the solid phase // High Temp. - High Press. 2003. Vol. 35-36, № 1. P. 15-23.

9. Прасолов П.Ф., Шестак В.Е., Платонов П.А. и др. Анизотропия модуля упругости и коэффициента теплового расширения текстурированных сплавов циркония Н-1 и Н-2,5 // Атомная энергия. 1990. Т. 68, № 2. С. 98-101.

10. Luscher W.G., Geelhood K.J. Material Property Correlations : Comparisons between FRAPCON-3.4, FRAPTRAN 1.4, and MATPRO // Report. Office of Nuclear Regulatory Research. 153 p.

11. Bunnell L.R., Bates J.L., Mellinger G.B. Some high-temperature properties of Zircaloy-oxygen alloys // J. Nucl. Mater. 1983. Vol. 116, № 2-3. P. 219-232.

12. Tyzack C. et al. Scanuk: A collaborative programme to develop new zirconium cladding alloys // J. Nucl. Mater. 1977. Vol. 66, № 1-2. P. 163-186.

13. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. Металлургия. Москва, 1982. 584 с.

14. Youn Y.S., Park J., Lim S.H. Stable lattice thermal expansion of ZIRLOTM: High-temperature X-ray diffraction results // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2019. Vol. 523. P. 66-70.

15. А.С. Займовский , А.В.Никулина , Н.Г. Решетников. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. Москва: Энергоатомиздат, 1994. 252 с.

16. Fink J.K., Leibowitz L. Thermal conductivity of zirconium // J. Nucl. Mater. 1995. Vol. 226, № 1-2. P. 44-50.

17. Fong R.W.L. et al. Specific heat of Zr-2.5Nb pressure tube material measured by differential scanning calorimetry (DSC) // Can. Nucl. Soc. - 35th Annu. Conf. Can. Nucl. Soc. 38th CNS/CNA Student Conf. 2015. 2015. Vol. 1, № August. P. 626-635.

18. Griffiths M., Winegar J.E., Buyers A. The transformation behaviour of the ß-phase in Zr-2.5Nb pressure tubes // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V., 2008. Vol. 383, № 1-2. P. 28-33.

19. Griffiths M., Mecke J.F., Winegar J.E. Evolution of Microstructure in Zirconium Alloys During Irradiation // Zironium in the Nuclear Industry: Eleventh International Symposium / ed. ASTM STP 1295. American Society for Testing and Materials, 1996. P. 580-602.

20. Yu H. et al. In-situ study of heavy ion irradiation induced lattice defects and phase instability in ß-Zr of a Zr-Nb alloy // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V., 2019. Vol. 522. P. 192-199.

21. Yu H. et al. Metastable phases in Zr-Excel alloy and their stability under heavy ion (Kr2+) irradiation // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2016. Vol. 469. P. 9-19.

22. Aldridge S.A., Cheadle B.A. Age hardening of Zr-2.5%Nb slowly cooled from the (alfa+beta) phase field // Stress Int. J. Biol. Stress. 1972. Vol. 42. P.32-42.

23. Zhang M. et al. Effect of annealing treatment on the microstructure and mechanical properties of a duplex Zr-2.5Nb alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 706, № September. P. 236241.

24. Yang Z.N. et al. Effect of intercritical annealing temperature on microstructure and mechanical properties of duplex Zr-2.5Nb alloy // J. Alloys Compd. Elsevier B.V, 2019. Vol. 776. P. 242-249.

25. Devi Y.P. et al. Microstructural evolution in (a + ßZr) region of Zr-2.5 wt% Nb annealed at different temperatures: Effect on mechanical properties // J. Nucl. Mater. 2020. Vol. 530. P. 151978.

26. Sahoo S.K. et al. Deformed microstructures of two-phase Zr-2.5Nb alloy: Effects of the second phase hardnesss // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V., 2010. Vol. 404, № 3. P. 222-230.

27. Fong R.W.L., Fazeli F., Smith T. Thermal expansion anisotropy of Zr-2.5Nb pressure tube material on heating to 1100°C // Can. Nucl. Soc. - 35th Annu. Conf. Can. Nucl. Soc. 38th CNS/CNA Student Conf. 2015. Vol. 1, № August. P. 636-647.

28. Jailin T. et al. Experimental study and modelling of the phase transformation of Zircaloy-4 alloy under high thermal transients // Mater. Charact. Elsevier, 2020. Vol. 162, № November 2019. 110199.

29. Sattari M., Holt R.A., Daymond M.R. Variant selection and transformation texture in zirconium alloy Excel // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V., 2014. Vol. 453, № 1-3. P. 120-123.

30. Chai L. et al. Experimental observation of 12 a variants inherited from one ß grain in a Zr alloy // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V., 2013. Vol. 440, № 1-3. P. 377-381.

31. Tenckhoff E. Deformation mechanisms, texture and anisotropy in Zirconium and Zircaloy // ASTM, Spec. Tech. Publ. (STP 966). 1966. Vol. 4, № 7-8. P. 329-336.

32. Cheadle B.A., Ells C.E. The effect of heat treatment on the texture of fabricated Zr-rich alloys. // Electroch. Techn. 1966. Vol. 4, № 7-8. P. 329-336.

33. Ahmmed K.F., Daymond M.R., Gharghouri M.A. Microstructural evaluation and crystallographic texture modification of heat-treated zirconium Excel pressure tube material // J. Alloys Compd. Elsevier B.V, 2016. Vol. 687. P. 1021-1033.

34. Romero J., Preuss M., Quinta da Fonseca J. Texture memory and variant selection during phase transformation of a zirconium alloy // Acta Mater. Acta Materialia Inc., 2009. Vol. 57, № 18. P. 5501-5511.

35. Romero J., Preuss M., Quinta da Fonseca J. Capturing the texture changes in a zirconium alloy during the allotropic phase transformation // Scr. Mater. Acta Materialia Inc., 2009. Vol. 61, № 4. P. 399-402.

36. Nguyen C.T. et al. The effect of cold work on the transformation kinetics and texture of a zirconium alloy during fast thermal cycling // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier B.V., 2019. Vol. 746, № November 2018. P. 424-433.

37. Gey N., Humbert M. Characterization of the variant selection occurring during the a^P^a phase transformations of a cold rolled titanium sheet // Acta Mater. 2002. Vol. 50, № 2. P. 277-287.

38. Chai L. et al. Strengthening or weakening texture intensity of Zr alloy by modifying cooling rates from a + P region // Mater. Chem. Phys. 2018. Vol. 213. P. 414-421.

39. Fong R.W.L. et al. Crystallographic texture and volume fraction of a and P phases in Zr-2.5Nb pressure tube material during heating and cooling // Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 2012. Vol. 43, № 3. P. 806-821.

40. Wenk H.R., Lonardelli I., Williams D. Texture changes in the hcp ^ bcc ^ hcp transformation of zirconium studied in situ by neutron diffraction // Acta Mater. 2004. Vol. 52, № 7. P. 1899-1907.

41. Chen P., Wang F., Li B. Misfit strain induced phase transformation at a basal/prismatic twin boundary in deformation of magnesium // Comput. Mater. Sci. Elsevier, 2019. Vol. 164, № June. P. 186-194.

42. Chen P., Wang F., Li B. Transitory phase transformations during {101 2} twinning in titanium // Acta Mater. Elsevier Ltd, 2019. Vol. 171, № April. P. 65-78.

43. Zhao H. et al. Atomic-scale understanding of stress-induced phase transformation in cold-rolled Hf // Acta Mater. Elsevier Ltd, 2017. Vol. 131. P. 271-279.

44. Wu H.C. et al. Rolling-induced face centered cubic titanium in hexagonal close packed

titanium at room temperature // Sci. Rep. 2016. Vol. 6, № March. P. 1-8.

45. Ruda M., Farkas D., Bertolino G. Twinning and phase transformations in Zr crack tips // Comput. Mater. Sci. Elsevier B.V., 2010. Vol. 49, № 4. P. 743-750.

46. Chakravartty J.K. et al. Hot-working characteristics of Zircaloy-2 in the temperature range of 650-950°C // J. Nucl. Mater. 1992. Vol. 187, № 3. P. 260-271.

47. Daniel C.S. et al. Co-deformation and dynamic annealing effects on the texture development during alpha-beta processing of a model Zr-Nb alloy // Acta Mater. Elsevier Ltd, 2021. Vol. 205. 116538.

48. Lebensohn R.A., Canova G.R. A self-consistent approach for modelling texture development of two-phase polycrystals: application to titanium alloys // Acta Mater. 1997. Vol. 45. P.3687-3694.

49. Glavicic M.G. et al. Modeling of texture evolution during hot forging of alpha/beta titanium alloys // Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 2008. Vol. 39 A, № 4. P. 887896.

50. Logé R.E. et al. Sensitivity of a-ZY4 high-temperature deformation textures to the ß-quenched precipitate structure and to recrystallization: Application to hot extrusion // Acta Mater. 2000. Vol. 48, № 15. P. 3917-3930.

51. Leo Prakash D.G. et al. Microstructure and texture evolution during thermomechanical processing of ß-quenched Zr // Acta Mater. 2015. Vol. 88. P. 389-401.

52. Semiatin S.L. An Overview of the Thermomechanical Processing of а/ß Titanium Alloys: Current Status and Future Research Opportunities // Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. Springer US, 2020. Vol. 51, № 6. P. 2593-2625.

53. Saxena K.K. et al. Hot deformation behavior of Zr-1Nb alloy in two-phase region -microstructure and mechanical properties // J. Alloys Compd. Elsevier B.V, 2018. Vol. 741. P. 281-292.

54. Aranas C. et al. Deformation-induced phase transformation in Zircaloy-4 below the beta transus // Mater. Lett. Elsevier B.V., 2018. Vol. 220. P. 229-233.

55. Измалков И.Н., Лошманов Л.П., Костюхина А.В. Механические Свойства Сплава Э110 При Температурах До 1273 K // Известия Вузов. Ядерная Энергетика. 2013. Том. 2. С. 64-70.

56. Zeng Q. et al. Effect of initial orientation on dynamic recrystallization of a zirconium alloy during hot deformation // Mater. Charact. Elsevier, 2018. Vol. 145, № March. P. 444-453.

57. Chauvy C., Barberis P., Montheillet F. Microstructure transformation during warm working of ß-treated lamellar Zircaloy-4 within the upper а-range // Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 431, № 1-2. P. 59-67.

58. Cochrane C., Gharghouri M.A., Daymond M.R. Evidence for deformation-induced phase transformation in a high Sn content zirconium alloy // Acta Mater. Elsevier Ltd, 2018. Vol. 161. P. 311-319.

59. Cochrane C., Daymond M.R. Effect of temperature and loading sense on deformation-induced phase transformation in a high Sn content zirconium alloy // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier B.V., 2019. Vol. 748, № January. P. 313-326.

60. Gey N. et al. Study of the ß^-a variant selection for a zircaloy-4 rod heated to the ß transus in presence or not of an axial tensile stress // J. Nucl. Mater. 2004. Vol. 328, № 2-3. P. 137-145.

61. Gey N. et al. Study of the a/ß phase transformation of Zy-4 in presence of applied stresses at heating: Analysis of the inherited microstructures and textures // J. Nucl. Mater. 2002. Vol. 302, № 2-3. P. 175-184.

62. Jailin T. et al. Thermo-mechanical behavior of Zircaloy-4 claddings under simulated post-DNB conditions // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V., 2020. Vol. 531. P. 151984.

63. Chai L. et al. Twinning during recrystallization cooling in a-Zr alloy // Mater. Sci. Eng. A. Elsevier, 2013. Vol. 576. P. 320-325.

64. Koo Y.H. et al. Kaeri's development of LWR accident-tolerant fuel // Nucl. Technol. 2014. Vol. 186, № 2. P. 295-304.

65. Kim H.G. et al. Development of surface modified Zr cladding by coating technology for ATF // Top Fuel 2016 LWR Fuels with Enhanc. Saf. Perform. 2016. № September 2016. P. 11571163.

66. Kim H.G. et al. Development Status of Accident-tolerant Fuel for Light Water Reactors in Korea // Nucl. Eng. Technol. Elsevier B.V, 2016. Vol. 48, № 1. P. 1-15.

67. Shishov V. N. et al. Influence of Zirconium Alloy Chemical Composition on Microstructure Formation and Irradiation Growth // 13 th International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry. Annecy, France, 2001. P. 758-779.

68. Петельгузов И.А. Влияние защитных покрытий из алюминия и хрома на окисление циркония и его сплавов. // ВАНТ. 2012. Том. 2, № 78. С. 114-119.

69. Kopanetz I.E. et al. The effect of Cr, Cr-N and Cr-Ox coatings on deuterium retention and penetration in zirconium alloy Zr-1Nb // Probl. At. Sci. Technol. 2015. Vol. 99, № 5. P. 8186.

70. Kuprin A.S. et al. Vacuum-arc chromium-based coatings for protection of zirconium alloys from the high-temperature oxidation in air // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2015. Vol. 465. P. 400-406.

71. Куприн А.С. и др. Вакуумно - дуговые хромовые покрытия для защиты сплава Zr-

1%Nb от высокотемпературного окисления на воздухе // ВАНТ. 2015. Том. 2, № 96. С. 111— 118.

72. Куприн А.С. и др. Высокотемпературное окисление на воздухе оболочек из циркониевых сплавов Э110 и Zr-1Nb c покрытиями // ВАНТ. 2014. Том 1, № 89. С. 126-132.

73. Белоус В.А. и др. Механические характеристики твэльных трубок из сплава Zr-1Nb после осаждения ионно - плазменных покрытий // ВАНТ. 2013. Том. 2, № 84. С. 140143.

74. Park J.H. et al. High temperature steam-oxidation behavior of arc ion plated Cr coatings for accident tolerant fuel claddings // Surf. Coatings Technol. Elsevier B.V., 2015. Vol. 280. P. 256-259.

75. Panjan M. et al. TEM investigation of TiAlN/CrN multilayer coatings prepared by magnetron sputtering // Surf. Coatings Technol. 2007. Vol. 202, № 4-7. P. 815-819.

76. Park D.J. et al. Microstructure and mechanical behavior of Zr substrates coated with FeCrAl and Mo by cold-spraying // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2018. Vol. 504. P. 261-266.

77. Берлин Е. В., Григорьев В. Ю., Иванов А. В., Исаенкова М. Г., Клюкова К. Е. и др. Структура защитного хромового покрытия, полученного методом термического испарения в магнетронном разряде, на оболочечных трубах из сплава Э110 // Цветные металлы. 2019. № 4. С. 33-40.

78. Иванов А.В. и др. Исследование свойств защитного хромового покрытия образцов-имитаторов твэлов ВВЭР // Вопросы атомной науки и техники. Серия Материаловедение и новые материалы. 2018. № 3. С. 116-130.

79. Idarraga-Trujillo I. et al. Assessment at CEA of coated nuclear fuel cladding for LWRS with increased margins in loca and beyond loca conditions // LWR Fuel Perform. Meet. Top Fuel 2013. 2013. Vol. 2, № September. P. 860-867.

80. Daub K., Van Nieuwenhove R., Nordin H. Investigation of the impact of coatings on corrosion and hydrogen uptake of Zircaloy-4 // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2015. Vol. 467. P. 260-270.

81. Meng C. et al. Study of the oxidation behavior of CrN coating on Zr alloy in air // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2019. Vol. 515. P. 354-369.

82. Yeom H. et al. Development of cold spray process for oxidation-resistant FeCrAl and Mo diffusion barrier coatings on optimized ZIRLOTM // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2018. Vol. 507. P. 306-315.

83. Wang Y. et al. Behavior of plasma sprayed Cr coatings and FeCrAl coatings on Zr fuel cladding under loss-of-coolant accident conditions // Surf. Coatings Technol. Elsevier, 2018. Vol. 344, № October 2017. P. 141-148.

84. Bischoff J. et al. AREVA NP's enhanced accident-tolerant fuel developments: Focus on Cr-coated M5 cladding // Nucl. Eng. Technol. 2018. Vol. 50, № 2. P. 223-228.

85. Sevecek M. et al. Development of Cr cold spray-coated fuel cladding with enhanced accident tolerance // Nucl. Eng. Technol. 2018. Vol. 50, № 2. P. 229-236.

86. Maier B. et al. Development of cold spray chromium coatings for improved accident tolerant zirconium-alloy cladding // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2019. Vol. 519. P. 247-254.

87. Hu M. et al. Self-ion bombarded Cr films: Crystallographic orientation and oxidation behaviour // Corros. Sci. Elsevier, 2018. Vol. 143, № August. P. 212-220.

88. Hu X. et al. High-temperature oxidation of thick Cr coating prepared by arc deposition for accident tolerant fuel claddings // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2019. Vol. 519. P. 145-156.

89. Kim H.G. et al. Adhesion property and high-temperature oxidation behavior of Cr-coated Zircaloy-4 cladding tube prepared by 3D laser coating // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V, 2015. Vol. 465. P. 531-539.

90. Brachet J.C. et al. Early studies on Cr-Coated Zircaloy-4 as enhanced accident tolerant nuclear fuel claddings for light water reactors // J. Nucl. Mater. 2019. Vol. 517. P. 268-285.

91. Русаков А.А. Рентгенография металлов. Москва: Атомиздат, 1977. 480 с.

92. Елманов Г.Н. и др. Физическое материаловедение: Учебник для вузов./ Под общей ред. Б.А. Калина. Том 1. Физика твердого тела. Москва: НИЯУ МИФИ, 2012. 764 с.

93. Уманский Я.С. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982. 632 с.

94. Бородкина М.М., Спектор Э.Н. Рентгенографический анализ текстуры металлов и сплавов. Москва: Металлургия, 1981. 272 с.

95. Perlovich Y.A. et al. Optimization of the procedure for determining integral texture parameters of products from zirconium-based alloys using the orientation distribution function // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 130, № 1. 012056.

96. Perlovich Y., Isaenkova M., Fesenko V. Express method of construction of accurate inverse pole figures // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 130, № 1. 012057.

97. Perlovich Yu., Isaenkova M., Fesenko V. Use of generalized pole figures in the X-ray study of textured metal materials // Zietschrift fur Krist. 2007. Vol. 26. P. 327-332.

98. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. Москва: Наука, 1974. 832 с.

99. Д.М. Хейкер, Л.С. Зевин. Рентгеновская дифрактометрия. Москва: Физматгиз, 1963. 280 с.

100. Bunge H.-J. Texture analysis in materials science. Mathematical methods. Wolfratshausen. 2015. 595 p.

101. Isaenkova M., Perlovich Y., Fesenko V. Modern methods of experimental construction

of texture complete direct pole figures by using X-ray data // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. IOP Publishing, 2016. Vol. 130. 12055.

102. Perlovich Y., Isaenkova M., Bunge H.J. The Fullest Description of the Structure of Textured Metal Materials with Generalized Pole Figures: the Example of Rolled Zr Alloys // European Powder Diffraction EPDIC 7. Trans Tech Publications Ltd, 2001. Vol. 378. P. 180-185.

103. Pawlik K., Ozga P. LaboTex: The Texture Analysis Software // Göttinger Arb. zur Geol. und Paläontologie. 1999. Vol. SB4. P. 146-147.

104. Крымская О.А. Влияние субструктурной неоднородности текстурованных сплавов на основе циркония на анизотропию их физико-механических свойств. Диссерт. на соискание уч. ст. к. ф.-м. н. спец. 01.04.07, М: НИЯУ МИФИ, 2020. 137 с.

105. Bachmann F., Hielscher R., Schaeben H. Texture analysis with MTEX- Free and open source software toolbox // Solid State Phenom. 2010. Vol. 160. P. 63-68.

106. Clausen B. Characterisation of polycrystal deformation by numerical modelling and neutron diffraction measurements // Riso-Reports-Riso R. 1997. Vol. 985, № September. P. 1-86.

107. Исаенкова М.Г. и др. Термическое расширение оболочечных труб и прутков из сплава Zr-1% Nb в температурном интервале 293-873 K (20-600°C) по результатам рентгеновских и дилатометрических измерений // Физика и химия обработки материалов. 2020. № 3. С. 53-65.

108. Siefken L.J. et al. SCDAP/RELAP5/MOD 3.3 Code Manual Vol.4, Rev.2: MATPRO - A Library of Materials Properties for Light-Water-Reactor Accident Analysis. 2001. Vol. 4. 713 P.

109. Коробков И.И. Температурная зависимость микротвердости сплавов циркония с кислородом // Металлургия и металловедение чистых металлов. 1969. Том 208, № 8. С. 4852.

110. Simmons R.O., Balluffi R.W. Measurement of the equilibrium concentration of lattice vacancies in silver near the melting point // Phys. Rev. 1960. Vol. 119, № 2. P. 600-605.

111. Skinner G.B., Johnston H.L. Thermal expansion of zirconium between 298 K and 1600 K // J. Chem. Phys. 1953. Vol. 21, № 8. P. 1383-1384.

112. Bunge H.-J. et al. Inhomogeneity of phase transformations ß - ю and ß - a in the quenched cold-rolled alloy Zr-20%Nb // J. Phys. IV, Colloq. C6, Suppl. au J.de Phys. III. 1996. Vol. 6, № 1. P. C1-149 - C1-156.

113. Черняева Т.П. и др. Особенности структуры закаленных сплавов Zr-Nb // Вопросы атомной науки и техники. Серия Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2011. Том 2, № 97. С. 95-107.

114. Исаенкова М. Г. и др. Изменение текстуры труб из сплава Zr-2,5% Nb при

рекристаллизации // Атомная энергия. 1989. Том 67, № 5. С. 327-331.

115. Вишняков Я.Д. и др. Теория образования текстур в металлах и сплавах. Наука. Москва, 1979. 301 с.

116. Перлович Ю.А., Исаенкова М.Г. Структурная неоднородность текстурованных металлических материалов: Монография. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 396 с.

117. Perlovich Y., Isaenkova M. Recrystallization of Rolled a-Zr Single Crystals // Recrystallization in Materials Processing / ed. Glebovsky V. Rijeka: IntechOpen, 2015. P. 101125.

118. Isaenkova M.G. et al. Regularities of recrystallization of rolled single crystals and polycrystals of zirconium and alloy Zr-1% Nb // Phys. Met. Metallogr. 2014. Vol. 115, № 8. P. 756-764.

119. Исаенкова М.Г. и др. Закономерности рекристаллизации прокатанных моно- и поликристаллов циркония и сплава Zr-1%Nb // ФММ. 2014. Том 115, С. 807-815.

120. Perlovich Yu., Isaenkova M. Features of the phase transformations in sheets, tubes and welding seams of the alloy Zr-2,5%Nb // Textures Microstruct. 1997. Vol. 30. P. 55-70.

121. Берлин Е. В., Григорьев В. Ю. Пат. 2503079 РФ. Генератор плазмы.

122. Берлин Е. В., Степанова Т. В. Пат. 2612113 РФ. Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов.

123. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 2. Москва: Машиностроение, 1997. 1024 с.

124. Перлович Ю.А. и др. Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности // Вопросы атомной науки и техники. Серия Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2004. Том 3, № 85. С. 59-65.

125. Горелик С.С., Скаков Ю.А. Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Москва: МИСиС, 2002. 366 с.

Приложение 1. Акт об использовании результатов в АО ВНИИНМ

«УТВЕРЖДАЮ»

Заместитель генерального директора АО «ВНИИНМ»

.В. Новиков

об использовании результатсн^аучно-исследовательской работы:

«Определение теплоемкости и ТКЛР сплава ЭПОопт. в диапазоне температур от 20°С до 1200°С с учетом структурно - фазового состояния»

НИР выполнена в соответствии с договором от 01.06.2018 г. № 310/26/7565-Д «Определение теплоемкости и ТКЛР сплава ЭПОопт. в диапазоне температур от 20 °С до 1200 °С с учетом структурно - фазового состояния» (АО «ТВЭЛ» -генеральный заказчик, АО «ВНИИНМ» - заказчик, НИЯУ МИФИ - исполнитель)

При проведении НИР выполнены следующие работы:

1 С помощью рентгеновских методов и дилатометрии определены температурные зависимости термических коэффициентов линейного расширения оболочечных труб и прутков из сплава Э110 опт в трех направлениях.

2 Выявлены основные закономерности термического расширения циркониевых прутков и оболочечных труб из сплава Э110 опт в температурном интервале 20-1200 °С и получены количественные результаты по коэффициентам термического расширения, необходимые для прогнозирования поведения изделий при изменении температур.

3 Обнаружена анизотропия термического расширения циркониевых изделий из сплава Э110 в исследованном интервале температур при первом и втором циклах нагрев-охлаждение,

4 На основании текстурных и структурных данных представлены аналитические выражения, описывающие температурную зависимость термического расширения оболочечных труб и прутков из сплава Э110 опт.

Результаты работ в полном объеме изложены в соответствующих научно-технических отчетах и в следующих публикациях:

1 Исаенкова М.Г., Тенишев A.B., Перлович Ю.А., Столбов С.Д. и др.Термическое расширение оболочечных труб и прутков из сплава Zr-l%Nb в температурном интервале 293-873 К (20-600°С) по результатам рентгеновских и дилатометрических измерений // Физика и химия обработки материалов. 2020, № 3, с. 53-65

2 Исаенкова М.Г., Тенишев A.B., Перлович Ю.А., Столбов С.Д. и др. Закономерности термического расширения оболочечных труб и прутков из сплава ЭПОопт в интервале температур 273-1473 К (20-1200°С) // Физика и химия обработки материалов 2020, № 4, с. 51 -64

3 Исаенкова М.Г., Тенишев A.B., Перлович Ю.А., Столбов С.Д. и др. Закономерности термического расширения оболочечных труб и прутков из сплава Э110 опт в интервале температур 20-1200 °С // Новые материалы: Перспективные технологии: Сборник тезисов и докладов 17-й Международной школы-конференции для молодых ученых и специалистов. Москва, 5-8 ноября 2019 г. М.: НИЯУ МИФИ, 2019. - с. 103-104.

Таким образом, научно-исследовательская работа «Определение теплоемкости и TKJIP сплава ЭПОопт. в диапазоне температур от 20 °С до 1200 °С с учетом структурно - фазового состояния» выполнена полностью и принята заказчиком, а ее результаты используются АО «ВНИИНМ» для проведения проектных обоснований работоспособности и безопасности твэлов реакторов на тепловых нейтронах.

начальник П-310

Кузнецов В.И.

главный специалист

Приложение 2. Акт об использовании результатов в ПАО МСЗ

Технологический отдел

м -fixc/i № фЧ-лс№Я

АКТ

использования результатов научно-исследовательской работы

Комиссия в составе

председатель: начальник технологического отдела Багдатьева Е.В.,

члены комиссии: научный руководитель Иванов A.B.,

главный специалист Рулёва В.В.

составили настоящий акт об использовании результатов научно-исследовательской работы «Анализ текстурных особенностей ячеек дистанционирующих решеток из сплава на основе циркония и разработка рекомендаций по оптимизации технологического процесса их производства в ПАО «МСЗ».

Основание выполнения работы:

- договор на выполнение НИР № 00-7-009-2016-18/10698-Д от 10.11.2016 «Анализ текстурных особенностей ячеек дистанционирующих решеток из сплава на основе циркония и разработка рекомендаций по оптимизации технологического процесса их производства в ПАО «МСЗ».

Сроки выполнения работ: 2016 - 2017 гг.

Краткое описание выполненных работ:

1. Выявлены особенности формирования кристаллографической текстуры различных участков штампованной ячейки: плоской поверхности, предназначенной для последующего соединения с соседними ячейками путем их сварки; поверхностей углов граней и поверхностей пуклевок.

2. С помощью метода конечных элементов исследовано влияние текстуры исходных трубных заготовок на размеры конечной ячейки.

3. Получены зависимости геометрии ячейки от толщины исходной трубки и настройки штамповочного устройства (инструмента).

4. Выработаны рекомендации по оптимизации технологического процесса штамповки ячеек ДР, направленные на предотвращение залипания ячеек на оправке за счет улучшения очистки внутренней поверхности исходных труб, стабилизацию геометрических размеров ячеек за счет повышения однородности и стабильности механических свойств трубных заготовок, снижение трудоемкости при подстройке штампа за счет оптимизации размеров выпуклого пуансона.

Результаты работ в полном объеме изложены в научно-технических отчетах, оформленных в соответствии с договором № 00-7-009-2016-18/10698-Д от 10.11.2016.

Заключение комиссии

Научно-исследовательская работа «Анализ текстурных особенностей ячеек дистанционирующих решеток из сплава на основе циркония и разработка рекомендаций по оптимизации технологического процесса их производства в ПАО «МСЗ» выполнена полностью и соответствует задачам ПАО «МСЗ» по повышению эффективности и качества производства ячеек.

Рекомендации работы могут быть использованы ПАО «МСЗ» для обоснования перед поставщиком труб необходимости улучшения очистки внутренних поверхностей труб и повышения однородности и стабильности их механических свойств, а также для оптимизации размеров штампового инструмента на основе использования разработанной в рамках данной работы математической модели штамповки.

Председатель комиссии:

начальник технологического отдела

Е.В. Багдатьева

Члены комиссии:

научный руководитель

А.В. Иванов

главный специалист

В.В. Рулёва