научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНОМ НА МИКРОСТРУКТУРУ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОЙ ОКСИДАМИ 13.5% ХРОМИСТОЙ СТАЛИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНОМ НА МИКРОСТРУКТУРУ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОЙ ОКСИДАМИ 13.5% ХРОМИСТОЙ СТАЛИ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 12, с. 1328-1335

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 621.039.53

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНОМ НА МИКРОСТРУКТУРУ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОЙ ОКСИДАМИ 13.5% ХРОМИСТОЙ СТАЛИ

© 2014 г. С. В. Рогожкин** *, А. А. Богачев* **, Д. И. Кириллов* **, А. А. Никитин* **, Н. Н. Орлов*, **, А. А. Алеев*, **, А. Г. Залужный**, *, М. А. Козодаев*, **

*НИЦ "Курчатовский институт"ФГБУ "ГНЦРФИТЭФ", 117218Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 **Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Каширское ш., 31

e-mail: Sergey.Rogozhkin@itep.ru Поступила в редакцию 08.04.2014 г.; в окончательном варианте — 14.05.2014 г.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии исследовано структурно-фазовое состояние высокохромистой дисперсно-упрочненной оксидами стали Fe—13.5% Cr—2% W—0.3% Y2O3, без добавления титана и легированной 0.2, 0.3 и 0.4 мас. % титана. Проведено сравнение наномасштаб-ного состояния исследуемых материалов со сталью ODS Eurofer, легированной 0.2 мас. % ванадия. Во всех исследованных состояниях обнаружена высокая объемная плотность наноразмерных оксидных включений. Увеличение содержания титана в стали Fe—13.5% Cr—2% W—0.3% Y2O3 до 0.3 мас. % приводит к уменьшению среднего размера частиц и увеличению их объемной плотности. В этом материале, помимо крупных зерен размерами 6—8 мкм, обнаружено формирование отдельных наноразмерных зерен (0.1—0.7 мкм) либо их скоплений.

Ключевые слова: просвечивающая электронная микроскопия, дисперсно-упрочненные оксидами стали, легирующие добавки, конструкционные материалы ядерной техники.

DOI: 10.7868/S0015323014120067

ВВЕДЕНИЕ

Сдерживающим фактором в разработке ядерных энергетических установок нового поколения является недостаточно высокий уровень радиационной стойкости и жаропрочности имеющихся материалов. Так, например, материалы активной зоны перспективных энергетических реакторов на быстрых нейтронах должны обеспечить выгорание топлива до 18—20% т.а. (тяжелых атомов) при температуре на оболочке ТВЭЛа до 700°С. Использующиеся в настоящее время стали аустенитного класса имеют склонность к радиационному распуханию и не обеспечивают требуемого выгорания топлива, а ферритно-мартенсит-ные стали — низкую жаропрочность при температурах свыше 600°С.

Разрабатываемые наноструктурированные дисперсно-упрочненные оксидами (ДУО) материалы [1—3] на основе ферритно-мартенситных сталей являются перспективными в качестве материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и первой стенки термоядерных реакторов. Работы по их созданию активно ведутся в Японии, США, России и других странах [3—7]. В Европе разрабатывается 9% хромистая сталь ODS Eurofer [5, 8], российскими аналогами являются 12% хромистые стали ЭК-181 ДУО и ЭП-450 ДУО [7, 9]. Стали

этого класса помимо высокой радиационной стойкости к распуханию, свойственной ферритно-мар-тенситным сталям, обладают высокой жаропрочностью за счет присутствия в матрице материала термически стабильных оксидов. Упрочнение достигается за счет растворения оксидных частиц в решетке матричной стали при механическом легировании в высокоэнергетических аттриторных мельницах и последующего выделения частиц на-нооксидов в процессе компактирования материала при повышенных температурах [4—6, 10]. В настоящее время для повышения коррозионной стойкости стартовали разработки ДУО-сталей с повышенным содержанием (13 мас. % и более) хрома (см., например, [11]).

При создании ДУО-сталей широко распространено применение иттрия, как основного металла для формирования оксидных частиц, поскольку он имеет наибольшее сродство с кислородом [12]. Считается, что керамические наночастицы оксида иттрия встраиваются в матричную решетку и служат местами закрепления дислокаций, а также стоками для точечных дефектов. Кроме того, данные частицы стабильны при высоких температурах (<1300°С) [13]. Совокупность данных факторов приводит к увеличению жаропрочности ДУО-ма-териала по сравнению с матричной сталью [14— 16]. В ряде работ показано, что механические

свойства в значительной степени зависят от размера и пространственного распределения дисперсных включений [15, 17, 18]. Считается, что наилучшие характеристики по сопротивлению ползучести и увеличению предела прочности на разрыв достигаются при наличии максимального количества равномерно распределенных наноча-стиц размерами 1—2 нм [15].

Для получения большого числа равномерно распределенных по объему наноразмерных включений, а также повышения прочностных характеристик ДУО сталей, применяется легирование V или Ti. Добавление малых концентраций ванадия (вплоть до 0.25 мас. %) стабилизирует ферритную фазу, улучшает прокаливаемость стали, а также способствует измельчению зерна [19]. Кроме того, ванадий является элементом, участвующим в формировании упрочняющих фаз (карбидов и карбонитридов). Как показали структурные исследования, при определенных режимах высокотемпературной термообработки в ферритных сталях с добавлением ванадия эффективно формируется наноструктура, способствующая значительному повышению жаропрочности стали [20, 21]. Исследования с помощью методик ультрамикроскопии ДУО-материалов показали, что ванадий принимает участие в процессах формирования нанооксидов. Из результатов исследований стали ODS Eurofer методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) следует, что оксидные включения размерами более 10 нм представляют собой химическое соединение (Y18Mn02)O3, граница которых обогащена ванадием, кислородом и хромом [10]. В тоже время последующие томографические атомно-зондо-вые исследования показали наличие в этом же материале большого количества (2 х 1024 м-3) наноразмерных кластеров (1-5 нм), преимущественно обогащенных ванадием, кислородом и частично иттрием [22].

Хорошо известно, что добавление титана повышает жаропрочность матрицы сталей. Этот элемент также отвечает за формирование упрочняющих карбидных и карбо-нитридных фаз. Кроме того, добавление титана положительно влияет на наноструктуру ДУО-сталей. Анализ оксидных частиц в высокохромистых ДУО-сталях показал, что добавление малых количеств титана (вплоть до 0.8 мас. %) может приводить к уменьшению размеров оксидных включений, а также увеличению их плотности, что, в свою очередь, увеличивает прочность материала при повышенных температурах [15, 23].

Таким образом, Ti и V активно участвуют в формировании наноразмерных оксидных частиц. В связи с этим, в последнее время значительные усилия сфокусированы на исследовании ДУО-сталей с различными системами легирования [12,

Таблица 1. Химический состав стали ODS 13.5% Cr-2% W с различным содержанием Ti (мас. %)

Материал Cr W Ti Y2O3

13.5 2 0 0.3

13.5 2 0.2 0.3

ODS 13.5% Cr-2% W

13.5 2 0.3 0.3

13.5 2 0.4 0.3

24]. Необходимо понимание влияния легирования как на размеры и распределение нанооксид-ных частиц, так и на структурно-фазовое состояние стали в целом.

Настоящая работа посвящена исследованию методами просвечивающей электронной микроскопии влияния легирования титаном на микроструктуру высокохромистой ДУО-стали Fe-13.5% Cr-2% W-0.3% Y2O3 [25]. Исследованы состояния этого материала без добавления титана и легированные титаном с 0.2, 0.3 и 0.4 мас. %. Для сравнения приводятся результаты исследования микроструктуры стали ODS Eurofer, легированной 0.2 мас. % ванадия.

ИССЛЕДУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследуемые в настоящей работе материалы: высокохромистая ДУО сталь Fe-13.5% Cr-2% W-0.3% Y2O3 (далее ODS 13.5% Cr-2% W), без добавления титана и легированная 0.2, 0.3 и 0.4 мас. % титана, а также сталь ODS Eurofer изготовлены посредством механического сплавления базовой стали, распыленной в инертной атмосфере, с порошком оксида иттрия [25-27]. Для снижения уровня кислорода весь процесс проводили в инертной атмосфере аргона. На следующем этапе получившийся порошок спекали при температуре 980°С методом горячего изостатического прессования (ГИП). Для образования ярко выраженной ферритно-мартенситной структуры сталь ODS Eurofer подвергали термической обработке: 30 мин при 980°C, закалка с последующим отпуском при 760°C в течение 2 ч. Исследуемая в настоящей работе сталь ODS 13.5% Cr-2% W термообработку после экструзии не проходила. Химический состав материалов приведен в табл. 1 и 2.

Подготовку образцов для исследований осуществляли с помощью электрохимического травления. Для травления использовали охлажденный до -20°С электролит, состоящий из 10% раствора хлорной кислоты в этиловом спирте. В процессе травления на образец подавалось напряжение 20 В. ПЭМ исследование было проведено на просвечи-

Таблица 2. Химический состав ODS Eurofer (мас. %)

Материал C Si Mn Cr N V W Ta Y2O3

ODS Eurofer 0.11 0.079 0.37 8.98 0.007 0.19 1.09 0.87 0.50

вающем электронном микроскопе JEM-1200. В качестве источника электронов применяли электронную пушку с катодом из гексаборида лантана.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Во всех исследуемых образцах стали ODS 13.5% Cr—2% W обнаружено бимодальное распределение зерен по размеру (рис. 1). В образце без добавления титана внутри крупных зерен ~6-8 мкм присутствуют отдельные наноразмерные зерна, а в образцах с добавлением титана присутствуют скопления зерен размерами от 100 до 700 нм. Указанное бимодальное распределение размера зерен может быть следствием неполной рекристаллизации и неравномерного роста зерен при изготовлении стали [28]. Был проведен анализ зависимости среднего размера наноразмерных зерен от содержания Ti в материале ODS 13.5% Cr-2% W (рис. 2). Наблюдается уменьшение их среднего размера при увеличении содержания Ti в материале. При этом для всех материалов, содержащих титан, наноразмерные зерна занимают порядка 20% от объема.

В исследованных материалах обнаружено выделение крупных частиц размерами до 100 нм по границам зерен (рис. 3). Данный эффект может способствовать стабильности размера зерен при термической обработке [25]. Во всех исследованных образцах наблюдается неоднородное пространственное распределение наноразмерных частиц в виде упорядоченных линейных структур

Рис. 1. Характерное ПЭМ-изображение микростр

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.

Показать целиком