СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.5557:539.12.043
ПЕРЕСТРОЙКА НАНОСТРУКТУРЫ СТАЛИ ODS Eurofer ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ДО ДОЗЫ 32 сна
© 2015 г. С. В. Рогожкин***, Н. Н. Орлов***, А. А. Алеев***, А. Г. Залужный***, М. А. Козодаев***, Р. П. Куйбида*, Т. В. Кулевой***, А. А. Никитин***, Б. Б. Чалых*, R. Lindau***, A. Möslang***, P. Vladimirov***
*НИЦ "Курчатовский институт"ФГБУ "ГНЦРФИТЭФ", 117218Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25
**Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Каширское шоссе, 31 ***Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Applied Materials — Applied Materials Physics (IAM-AWP), 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Karlsruhe, Germany, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 e-mail: Sergey.Rogozhkin@itep.ru Поступила в редакцию 08.04.2014 г.; в окончательном варианте — 14.05.2014 г.
Проведено исследование наноструктуры стали ODS Eurofer (9%-CrWVTa + 0.5%Y203) после облучения ионами железа до повреждающей дозы 32 сна (смещений на атом). Эта сталь в исходном состоянии характеризуется наличием значительного числа (~ 1024 м-3) наноразмерных (2—4 нм) кластеров, содержащих атомы V, Y O и N. Анализ распределения различных химических элементов в исследованных объемах выявил изменение состава матрицы и наноразмерных кластеров под облучением. Проведено сравнение полученных данных с результатами реакторного облучения стали ODS Eurofer до дозы 32 сна.
Ключевые слова: просвечивающая электронная микроскопия, дисперсно-упрочненные оксидами стали, легирующие добавки, конструкционные материалы ядерной техники.
DOI: 10.7868/S001532301501009X
ВВЕДЕНИЕ
Конструкционные материалы активной зоны разрабатываемых атомных и термоядерных реакторов должны обеспечивать работоспособность при высоких температурах (более 650°С) и высоких повреждающих дозах (более 140 сна) [1, 2]. Перспективным направлением разработки таких материалов является создание дисперсно-упроченных оксидами (ДУО) сталей на основе фер-ритно-мартенситной матрицы. Считается, что решающую роль в упрочнении ДУО-сталей играют содержащиеся в них наноразмерные включения, выступающие в роли точек закрепления дислокаций и стоков для точечных дефектов. Однако радиационная стойкость этих материалов является не до конца изученным и важным вопросом.
Еще одной важной проблемой для разрабатываемых ДУО-материалов является повышенная температура вязкохрупкого перехода по сравнению с матричной сталью [1, 3]. Остается неясным как влияние наноразмерных включений на охруп-чивание исходного состояния, так и их роль в ра-диационно-индуцированном сдвиге температуры вязко-хрупкого перехода. Например, известно, что формирование наноразмерных выделений в сталях корпусов реакторов при облучении нейтронами вызывает повышение температуры вязкохруп-
кого перехода [4—6]. В ДУО сталях упрочняющие включения формируются уже в исходном состоянии, поэтому стоит задача обеспечить достаточно низкую температуру вязкохрупкого перехода и высокий уровень жаропрочности одновременно.
В рамках Европейской программы создания перспективных термоядерных реакторов разрабатывают сталь ODS Eurofer (9%-CrWVTa) [1, 3, 7]. Произведенная австрийской индустриальной группой Planzee сталь ODS Eurofer первого поколения, содержащая 0.5 мас. % Y2O3, была изучена в ряде исследовательских программ [8—10]. Согласно исследованиям методами просвечивающей электронной микроскопии в стали ODS Eurofer присутствует большое число частично когерентных с матрицей Y2O3 частиц со средними размерами 10— 12 нм, которые формируются непосредственно после горячего изостатического прессования этого материала [1, 11]. Выполненные исследования исходного состояния этого материала методом атом-но-зондовой томографии выявили наличие большого числа ~2 х 1024 м-3 сверхмелких наноразмерных (1-4 нм) кластеров, обогащенных не только Y и O, но V и N [12, 13]. Полученные данные указывают на важную роль ванадия в процессах формирования нанокластеров оксидов. Аналогичная роль ванадия ранее была выявлена при формиро-
вании карбонитридных кластеров в ферритно-мартенситной стали ЭК-181 [14, 15].
В рамках международного проекта ARBOR-1 образцы стали ODS Eurofer первого поколения облучали в реакторе на быстрых нейтронах БОР-60 до дозы 32 сна при температуре 330°С [9]. Атомно-зондовые исследования облученных образцов, обнаружили существенное изменение состава нанокластеров под облучением [16]. Полученные данные не позволили проанализировать кинетику радиационно-индуцированных изменений наноструктуры. Исследования влияния облучения ионами Fe в диапазоне доз до 13 сна при комнатной температуре показали [17, 18], что под воздействием каскадообразующего облучения происходит постепенное изменение химического состава нанокластеров, а обнаруженные тенденции в целом согласуются с результатами нейтронного облучения. В настоящей работе представлены результаты томографических атом-но-зондовых исследований кинетики наномас-штабных изменений в стали ODS Eurofer при облучении ионами железа до дозы радиационного повреждения 32 сна. Проводится сравнение нано-масштабных изменений после облучения до дозы 32 сна при нейтронном и ионном облучении.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Исходный материал и условия облучения
Сталь ODS Eurofer относится к классу малоак-тивируемых ферритно-мартенситных сталей. Она была изготовлена посредством механического сплавления базовой стали Eurofer 97, распыленной в инертной атмосфере, с 0.5 мас. % порошка оксида иттрия [1]. Для снижения уровня кислорода весь процесс проводили в инертной атмосфере аргона. На следующем этапе получившийся порошок спекался при температуре 980°С методом горячего изостатического прессования (ГИП). Для образования ярко выраженной ферритно-мартенситной структуры материал подвергали выдержке при 980°C в течение 30 мин с последующей закалкой и отпуску при 760°C в течение 2 ч. Исследуемая в настоящей работе сталь относится к первому поколению сталей ODS Eurofer, у которой финишная термическая обработка не была оптимизирована, и ее температура вязко-хрупкого перехода составляла 135°С [9].
Для томографических атомно-зондовых исследований использовали образцы в виде иглы, с радиусом закругления кончика несколько десятков нанометров. Схема облучения образцов-игл представлена в [17, 18]. Для облучения применяли импульсный ионный пучок на выходе из инжектора MEVVA ускорителя ТИПр-1 с энергией 75 кэВ/Z (где Z — заряд иона), длиной импульса 450 мкс и частотой повторения импульсов < 0.25 Гц [19, 20]. Ток пучка на выходе из инжектора состав-
лял 200 мА. Плотность пучка, падающего на мишень, достигала 5—6 мА/см2. Облучение проводили пучком ионов Fe, состоящего из ионов трех заряд-ностей (характеристика источника MEVVA): Fe+ (25%), Fe+2 (68%), Fe+3 (7%) с энергией 75, 150 и 225 кэВ, соответственно. Используемый пучок создает максимальное количество дефектов на глубинах ~ 30—50 нм, что соответствует середине образца-иглы [18]. В настоящей работе образцы облучали при комнатной температуре 20°С до повреждающих доз ~32 сна. Давление в камере при проведении облучения ниже 2 х 10-6 мбар.
Методика атомно-зондовой микроскопии, анализ данных
Исследования облученных образцов проводили на энергокомпенсированном оптическом томографическом атомном зонде в ИТЭФ. Подробное описание метода представлено в [21]. При проведении атомно-зондовых исследований температура образцов была порядка 75 К. Испарение атомов с поверхности образцов осуществляли при напряжениях 1—10 кВ постоянной составляющей, при этом амплитуду импульсной составляющей устанавливали на уровне 19% от постоянной.
Обработка экспериментальных данных состояла из расшифровки полученного масс-спектра и анализа 3 D-распределений химических элементов в исследованных объемах. Для описания нано-размерных особенностей, обнаруженных в исследованных объемах, использовали метод максимального разделения [21]. Он позволяет выделить нанокластеры, обогащенные различными элементами относительно матрицы, описать их размер, состав и объемную плотность. При этом вокруг каждого задетектированного атома исследованного объема строится сфера радиусом dmax. Если атомов определенного сорта, попавших в эту сферу, больше или равно некоторого заданного значения Nmin, то этот атом считается принадлежащим к кластеру. Стоит отметить, что выбор параметров dmax и Nmin ощутимо влияет на определение кластеров и получаемую информацию [22, 23]. Если выбранные параметры малы, то это приводит к дроблению кластеров на отдельные фракции. Напротив, если параметры велики, происходит объединение близко расположенных кластеров.
В [12, 16, 24], для необлученного и облученного нейтронами состояний стали ODS Eurofer были выбраны разные параметры, что было обусловлено различным составом кластеров и их распределением в материале. В необлученном состоянии применялись параметры dmax= 6 Ä, Nmin= 6, в состоянии после облучения нейтронами dmax= 8 Ä, Nmin= 5. В процессе облучения ионами, при увеличении повреждающей дозы, кластеры постепенно изменяют свой состав. Для того что бы описать кластеры во всем интервале доз от 0 до 32 сна в настоящей
10 нм
I_I
Cr
Si Mn W N
V O
Y
10 нм j
Cr
Si Mn
W N
V
O
Y
Рис. 1. 3В-распределения элементов в необлученном состоянии стали ODS Eurofer.
Рис. 2. 3В-распределения элементов в стали ODS Euro-fer, облученной ионами Fe до дозы 32 сна.
работе использовались одинаковые параметры ^тах= 8 А, Nmin = 5. При этом, для более корректного сравнения, обработка данных для исходного состояния и состояния, облученного нейтронами, была также проведена с применением этих же параметров йт
N -
■*max> ^ 'min*
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1, 2 представлены атомные карты распределения химических элементов в исследованных объемах стали ODS Eurofer в необлученном состоянии и после облучения ионами железа до дозы 32 сна. Как видно из представленных рисун-
ков, в материале после облучения по-прежнему наблюдаются кластеры, обогащенные Y и O. В тоже время в результате облучения произошел уход N и V из состава кластеров. При этом размеры и плотность кластеров не изменяются, и составляют 2—
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.