СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.1 '26:539.12.043:536.425
НАКОПЛЕНИЕ И ОТЖИГ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ И НЕЙТРОННОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОБЛУЧЕНИЯХ В ДУО-СТАЛИ И СПЛАВАХ Fe-Cr
© 2010 г. В. Л. Арбузов, Б. Н. Гощицкий, В. В. Сагарадзе, С. Е. Данилов, А. Е. Карькин
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 22.03.2010 г.
Проведены исследования процессов накопления и отжига радиационных дефектов при низкотемпературном (77 К) электронном и нейтронном облучениях и их влияния на физико-механические свойства сплавов Fe—Cr и дисперсно-упрочненной оксидами (ДУО) стали. Показано, что поведение радиационных дефектов в ДУО-стали и сплавах Fe—Cr качественно не отличается. Выше 250 К заметны радиационно-индуцированные процессы расслоения твердого раствора, которые существенно меньше в ДУО-стали, что связано с ее микроструктурой. Рассматриваются процессы, связанные с перекрытием каскадов смещений при нейтронном облучении. Показано, что при этом превалирует увеличение размеров вакансионных кластеров, а не рост их концентрации. Обсуждаются возможные механизмы радиационного упрочнения ДУО-стали и сплава Fe—13Cr при облучении и последующем отжиге.
Ключевые слова: вакансии, междоузельные атомы, кластеры, облучение, механические свойства, электросопротивление, ДУО-сталь, сплавы Fe—Cr, распад твердого раствора.
ВВЕДЕНИЕ
Отсутствие радиационно-стойких сталей для оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), выдерживающих повреждающую дозу нейтронного облучения до 120 смещений на атом (сна) без значительного распухания и обладающих повышенными характеристиками жаропрочности сдерживает развитие атомной энергетики на быстрых нейтронах. Наиболее перспективным выходом из этой ситуации во всем мире считается переход на менее распухающие дисперсно-упрочненные оксидами (ДУО) ферритные и ферритно-мартенситные стали с ОЦК-решеткой, получаемые методом механического легирования стальных порошков в шаровых мельницах [1—4]. ДУО-стали обладают существенным преимуществом по жаропрочности и сопротивлению ползучести перед типичными ферритно-мартенситными сталями при повышенных напряжениях и температурах [5]. В последнее время были разработаны ферритные нержавеющие стали, упрочненные дисперсными оксидами иттрия, титана или алюминия [4, 5, 6], которые в отличие от карбидов, нитридов и интерметаллидов не растворяются при нагреве до предплавильных температур.
Необходимо отметить, что радиационно-инду-цированные структурно-фазовые превращения в ферритных и ферритно-мартенситных сталях, обладающих большей радиационной стойкостью, чем аустенитные стали, в настоящее время не исследованы достаточно полно. Кроме того, накопленных данных по влиянию облучения на структуру, охруп-
чивание и другие свойства ДУО-сталей еще недостаточно, чтобы делать окончательный вывод об их применении в качестве оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах.
Целью настоящей работы является выявление роли точечных дефектов, каскадов смещения и их перекрытия в радиационном повреждении феррит-ных сплавов и ДУО-сталей при низкотемпературном (77 К) бескаскадном (электронном) и каскадном (нейтронном) облучениях, когда отсутствует свободная миграция дефектов, и последующих отжигах, когда происходит миграция точечных дефектов.
1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовали модельные сплавы Ре—2Сг, Бе— 13Сг, Бе—20Сг и высокохромистую ДУО-сталь К5 (13СгП1Мо—У203) [5, 6], химический состав которых приведен в табл. 1.
Технология получения ДУО-стали (К5) подробно описана в [5, 6]. Исходный порошок для производства стали обрабатывали в шаровой мельнице в течение 48 ч. После этого проводили дегазацию порошков, компактирование и спекание в процессе горячего прессования, экструзию или прокатку при 1273—1373 К. Окончательная термообработка включала отжиг при 1373 К 1 ч, с последующим охлаждением на воздухе. После изготовления образцов по указанной технологии в структуре ДУО-стали не было обнаружено несплошностей и пор. В процессе
нагрева при спекании порошка и окончательной термообработке в образцах выделялось существенное количество ультрадисперсных (наноразмерных) сложных оксидов У203—ТЮ2 (Y2TiO5). Модельные сплавы Бе-Сг, выплавленные из карбонильного железа и феррохрома, нагревали в высоком вакууме в кварцевой трубе в ферритном диапазоне при 1093 К 4 ч и охлаждали до комнатной температуры.
Микроструктуру стали и сплавов исследовали с помощью световой и электронной просвечивающей микроскопии, а также сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Методика исследований на СТМ описана в [7].
Облучение быстрыми нейтронами спектра деления проводили в реакторе ИВВ-2М при 77 К. Стандартные механические испытания проводили при температурах 77 и 259 К на образцах толщиной ~0.5мм. Измерения остаточного электросопротивления проводили при температуре жидкого гелия (4.2 К). Облучение электронами энергией 5 МэВ — на линейном ускорителе при температуре 77 К.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 2.1. Микроструктура сплавов
Микроструктура ДУО сплава К5 (рис. 1) достаточно сложна и сильно отличается от сплавов Fe—Cr. С помощью световой и электронной микроскопии можно наблюдать вытянутые зерна и субзерна (рис. 1а, 1б), созданные высокотемпературной деформацией и сохранившиеся после отжига при 1373 К. Вытянутые кристаллиты содержат повышенную плотность дислокаций и подобны субзе-ренной структуре, созданной высокотемпературной термомеханической обработкой в отсутствие рекристаллизации. В результате указанной обработки ДУО-сталь К5 претерпевает полигонизацию — протяженные "полосовые" кристаллиты толщиной 0.2—0.6 мкм состоят из более равноосных субзерен близкой ориентации.
В пределах ферритных кристаллов можно заметить достаточно крупные выделения округлой формы размером до 200 нм. По всей видимости, это выделяющаяся при термомеханической обработке %-фаза. При большом увеличении удается увидеть в стали К5 наночастицы размером 2—3 нм (рис. 1в). Эти частицы представляют собой сложный оксид Y203—Ti02 (Y2Ti05), образовавшийся в результате распада механически легированной кислородом ферритной а-матрицы в процессе высокотемпературной термомеханической обработки. Выделению нанооксидов размером 2—3 нм предшествовало предварительное растворение достаточно крупных исходных оксидов Y203 размером ~30 нм в стальной матрице в результате холодной деформации смеси порошков в шаровой мельнице. По темнопольным электронно-микроскопическим изображениям бы-
Таблица 1. Состав исследованных сталей в мас. %
Сталь Сг Ti Мо О N С Y203 Al
К5 13.5 1.3 0.6 0.27 0.02 0.01 0.39 0.17
Fe—2Cr 1.58 - - 0.01 0.01 0.01 - -
Fe—13Cr 12.8 - - 0.01 0.01 0.01 - -
Fe—20Cr 20.31 - - 0.01 0.01 0.01 - -
ли определены средний диаметр d = 2.5 нм нанооксидов и их концентрация п = 2 х 1017 см-3, что отвечает объемному содержанию частиц ~0.16%. Эти частицы: не растворяются при нагреве, закрепляют дислокации, границы зерен и субзерен, что приводит к сохранению полосовой "деформационной" структуры в ДУО-стали даже при нагреве до 1373 К (рис. 1а).
Методом СТМ было показано, что в ДУО-стали присутствуют выделения двух типов: размером около 200 нм и размером 3-5 нм. Эти данные соответствуют сведениям, полученным с помощью электронной микроскопии.
В сплавах Бе-Сг не было обнаружено никаких выделений, размер зерна составлял около 200 мкм, в зернах наблюдалась низкая плотность дислокаций (менее 109 см-2).
2.2. Накопление радиационнъх дефектов
При облучении электронами генерируются простые дефекты - пары Френкеля (междоузельный атом и вакансия), а при нейтронном облучении наряду с одиночными дефектами, в каскадах смещений, образуются кластеры дефектов. При низкотемпературном облучении, когда отсутствует свободная миграция дефектов, можно в чистом виде выявить влияние каскадов смещений и их перекрытия на радиационную повреждаемость сталей. При облучении в районе 77 К в железе происходит частичный отжиг образовавшихся радиационных дефектов, за счет рекомбинации близких пар [8]. Однако этот отжиг незначителен и составляет около 15% от общего количества стабильных радиационных дефектов. В работе [9] показано что при облучении электронами ниже 25 К и при последующем изохронном отжиге действительно до 77 К как в чистом железе, так и в сплаве Бе13Сг отжигается около 15% дефектов.
Общепринято оценивать степень радиационного воздействия на материалы через дозу радиационного повреждения, - количество смещений на атом (сна), которая пересчитывается из флюенса при облучении тем или иным типом частиц. При низкотемпературном облучении, как правило, наблюдается хорошее соответствие между расчетными данными количества образовавшихся дефектов и экспериментально определенными концентрация-
^жчАД
(в). - Щ' 100 нм || |
Рис. 1. Вытянутые зерна (а), субзерна (б) и упрочняющие нанооксиды У2ТЮ5 (в) в ДУО-стали К5.
ми радиационных дефектов (электроны разной энергии, нейтроны и т.д.). В работе [10] показано, что при облучении чистого железа при 77 К прирост электросопротивления линейно зависит от флюенса облучения (по крайней мере, до повреждающей дозы 1.5 х 10-3 сна), как для каскадоообразующих облучений (электроны с энергией более 30 МэВ и быстрые нейтроны), так и для бескаскадного облучения (электроны энергией ~2.5 МэВ). Это означает, что прирост электросопротивления не зависит от то-
60 50 40
а 30
<
20
10
Ф, 1018 см-2
Рис. 2. Дозовые зависимости прироста остаточного электросопротивления ДУО-стали и сплавов Ре—Сг при нейтронном облучении.
го, как распределены по объему образца радиационные дефекты, гомогенно или в каскадах. Можно считать, что и в нашем случае прирост электросопротивления отражает концентрацию радиационных дефектов, даже и в случае перекрытия каскадов.
При более высоких температурах облучения, когда идут диффузионные процессы, определяемые свободной миграцией радиационных дефектов, необходимо учитывать различный характер генерации дефектов при различных видах облучения. Например, каскадное облучение нейтронами по различным оценкам дает только несколько процентов с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.