Титановый сплав для реакторного оборудования атомной и термоядерной энергетики

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, предназначенных для использования при производстве оборудования и в корпусных конструкциях стационарных и транспортных ядерных энергетических установок. Техническим результатом является создание сплава с улучшенным комплексом механических и служебных свойств, меньшей склонностью к наведенной активности, а также повышенной деформационной способностью в условиях нейтронного облучения, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и ресурса реакторного оборудования ядерных энергетических установок. Предложен титановый сплав, содержащий в мас.%: алюминий 4,7-6,0, ванадий 1,0-2,0, молибден 0,8-2,0, вольфрам 0,01-0,10, цирконий 0,01-0,10, кремний 0,01-0,10 железо 0,10-0,25, церий 0,005-0,01, углерод 0,05-0,15, кислород 0,01-0,12, азот 0,01-0,04, титан - остальное, при этом суммарное содержание ванадия и молибдена не превышает 3,5%, суммарное содержание циркония и кремния не превышает 0,15%, суммарное содержание кислорода и азота не превышает 0,13%. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при производстве оборудования и корпусных конструкций стационарных и транспортных ядерных энергетических установок (ЯЭУ).

Известны конструкционные титановые материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, титановые сплавы типа ВТ, ОТ и ПТ, а также другие аналоги), указанные в научно-технической и патентной литературе [1-4]. Однако известные сплавы применительно к реакторному оборудованию не удовлетворяют требованиям по механическим и эксплуатационным свойствам и их стабильности при кратковременном и длительном статическом и циклическом нагружениях, а также требованиям по деформационной способности этих материалов в условиях нейтронного облучения. Все это приводит к снижению эксплуатационной надежности и промышленной, в т.ч. радиационно-экологической безопасности применяемого реакторного оборудования в процессе его длительной эксплуатации в составе стационарных и транспортных ЯЭУ.

Наиболее близким к заявляемой композиции по базовому химическому составу и функциональному назначению компонентов является титановый сплав марки ВТ-14 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, в мас.%:

алюминий	3,5-5,6
ванадий	0,5-2,5
молибден	2,5-3,8
цирконий	≤0,10
кремний	≤0,12
железо	≤0,25
кислород	≤0,13
азот	≤0,04
углерод	0,06-0,14
титан	остальное

Данную марку сплава в соответствии с требованиями действующей НТД и по данным ряда работ [1-5] рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве машиноподелочного конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения.

При этом известный сплав характеризуется недостаточно высоким уровнем механических и эксплуатационных свойств, таких как кратковременная и длительная прочность, ударная вязкость, сопротивление усталости, деформационная способность в условиях нейтронного облучения флюенсом 5·10²⁰ н/см², а также повышенная склонность к наведенной радиоактивности.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание малоактивируемого и радиационностойкого титанового сплава, обладающего более высокими значениями кратковременной и длительной прочности, сопротивления усталости, деформационной способности после нейтронного облучения флюенсом до 5·10²⁰ н/см², а также пониженной склонностью к наведенной радиоактивности. Технический результат достигается в результате того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, ванадий, молибден, цирконий, кремний, углерод, кислород, азот и титан дополнительно введены вольфрам и церий при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

алюминий	4,7-6,0
ванадий	1,0-2,0
молибден	0,8-2,0
вольфрам	0,01-0,10
цирконий	0,01-0,10
кремний	0,01-0,10
железо	0,10-0,25
церий	0,005-0,01
углерод	0,05-0,15
кислород	0,01-0,12
азот	0,01-0,04
титан	остальное

при этом:

- суммарное содержание ванадия и молибдена не должно превышать 3,5%;

- суммарное содержание циркония и кремния не должно превышать 0,15%;

- суммарное содержание кислорода и азота не должно превышать 0,13%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала формирование наиболее оптимального структурного состояния и заданный уровень служебных свойств, позволяющих существенно повысить эксплуатационную надежность и ресурс реакторного оборудования.

Введение в заявляемый сплав микролегирующих и модифицирующих добавок вольфрама и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами и, в первую очередь, с алюминием, ванадием и молибденом способствует не только повышению его структурной стабильности и радиационной стойкости в условиях длительного воздействия нейтронного облучения, но и обеспечивает более интенсивный спад наведенной радиоактивности внутриреакторного и корпусного оборудования, выводимого из эксплуатации. При этом, как показали результаты наших исследований [6-11], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и избыточных фаз по всему сечению крупногабаритных поковок и сложнопрофильных полуфабрикатов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, более активно идет формирование мелкозернистой структуры с равноосной формой зерна, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости как основного металла, так и сварных соединений. Заметно снижается склонность сплава к структурной анизотропии и существенно улучшается его технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве сортового и листового проката, а также крупногабаритных поковок. Введение модифицирующих добавок вольфрама и церия менее указанных в формуле изобретения значений снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в процессе длительной эксплуатации в условиях реакторного облучения. Введение вольфрама и церия более указанных в формуле изобретения значений вызывает образование в структуре металла хрупких интерметаллических соединений, что приводит к потере запаса пластичности сплава и снижению его сопротивления хрупким разрушениям.

Ограничение содержания в заявляемой композиции ванадия и молибдена, как твердорастворных упрочняющих элементов в указанном соотношении с вольфрамом и церием, а также ограничение суммарного содержания вредных примесей внедрения кислорода и азота в сочетании с термодинамически активными Zr и Si, во многом влияющими на процесс кристаллизации расплава, способствует формированию более однородной и мелкозернистой структуры и заданного уровня физико-механических свойств, предопределяющих высокую деформационную способность металла в условиях нейтронного облучения.

Фрактографический анализ поверхности изломов облученных образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [9-11], что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне разрушения металла заметно возрастает, по сравнению с известным составом. Несоблюдение указанных в формуле изобретения количественных соотношений снижает сопротивление металла радиационному охрупчиванию под действием высокодозного нейтронного облучения и отрицательно влияет на весь комплекс прочностных и деформационных характеристик металла.

Таким образом, полученный более высокий уровень механических и эксплуатационных свойств и высокая деформационная способность материала в условиях реакторного облучения достигаются комплексным модифицированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами. сбалансированным химическим и фазовым составом, а также нормированным содержанием вводимых микролегирующих добавок.

В ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли и в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральных целевых научно-технических программ [12, 13] выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумных гарнисажных электропечах с магнитоуправляемой дугой с последующей обработкой на кузнечно-прессовом оборудовании мощностью 6000 т. Были изготовлены полуфабрикаты в виде кольцевых поковок массой до 500 кг, из которых вырезали образцы для исследования механических и эксплуатационных свойств.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения основных механических и эксплуатационных свойств представлены в таблицах 1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного титанового сплава в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурсных характеристик, а также радиационно-экологической безопасности использования корпусных конструкций современных реакторных установок атомной и термоядерной энергетики за счет повышения уровня механических и эксплуатационных свойств, деформированной способности после нейтронного облучения, а также снижения склонности к наведенной радиоактивности.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 19807 Титан и сплавы титановые деформируемые (марки), Госстандарт, 1991 - прототип.

2. ОСТ1.92077 Сплавы титановые (марки).

3. Б.Б.Чечулин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении, Л.: изд-во «Машиностроение», 1977.

4. С.Г.Глазунов, В.Н.Моисеев. Конструкционные титановые сплавы, М.: изд-во «Металлургия», 1974.

5. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы как перспективный реакторный материал. Сб. статей «Радиационное материаловедение и конструкционная прочность реакторных материалов», изд-е ЦНИИ КМ «Прометей», - СПб, 2002.

6. С.С.Ушков, В.А.Межонов, О.А.Кожевников и др. Применение титановых сплавов для корпусов водо-водяных реакторов перспективных атомных энергетических установок. - Материалы 7-й международной научно-технической конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС». С-Пб., 2002.

7. И.В.Горынин, С.С.Ушков, В.А.Семенов и др. Модернизация, повышение надежности и ресурса реакторных конструкций атомных электростанций. - Материалы международной научно-технической конференции по реакторному материаловедению. - Киев, 2006.

8. С.С.Ушков, В.А.Межонов, О.А.Кожевников и др. Перспективы применения малоактивируемых титановых сплавов в сварных конструкциях атомных энергетических установок. - Сб. статей. «Вопросы материаловедения» №3, изд-е ЦНИИ КМ «Прометей». - С-Пб. 2007.

9. О.А.Кожевников, В.В.Рыбин, Е.В.Нестерова и др. Механические свойства, тонкая структура и микромеханизмы разрушения облученных нейтронами α-сплавов титана. - М.: журнал «Металловедение и термическая обработка металлов», №9, 1999.

10. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков, О.А.Кожевников и др. «Радиационно-стойкие малоактивируемые титановые сплавы - новое поколение конструкционных материалов для реакторного оборудования ЯЭУ». - Материалы международной научно-технической конференции по реакторному материаловедению. - Киев, 2004.

11. О.А.Кожевников. Особенности радиационных повреждений титановых сплавов с различным содержанием примесей внедрения. В кн. «Радиационная физика металлов и сплавов». - Тбилиси, 1979.

12. Федеральная целевая научно-техническая программа «Национальная технологическая база», 2007.

13. Федеральная целевая научно-техническая программа «Разработка и исследование конструкционных материалов для термоядерной энергетики (международный термоядерный реактор проекта ИТЭР)», 2005.

Титановый сплав для реакторного оборудования атомной и термоядерной энергетики, содержащий алюминий, ванадий, молибден, цирконий, кремний, железо, углерод, кислород и азот, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий	4,7-6,0
ванадий	1,0-2,0
молибден	0,8-2,0
вольфрам	0,01-0,10
цирконий	0,01-0,10
кремний	0,01-0,10
железо	0,10-0,25
церий	0,005-0,01
углерод	0,05-0,15
кислород	0,01-0,12
азот	0,01-0,04
титан	остальное

при этом суммарное содержание ванадия и молибдена не превышает 3,5%, суммарное содержание циркония и кремния не превышает 0,15%, а суммарное содержание кислорода и азота не превышает 0,13%.