Бронза для теплообменного оборудования и защитных систем термоядерных реакторов

Изобретение относится к металлургии, в частности, к медным сплавам, предназначенным для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве элементов и узлов теплообменного оборудования атомных и термоядерных энергетических установок. Предложенная бронза содержит, мас.%: хром 0,4-1,2, цирконий 0,1-0,5, ванадий 0,1-0,5, никель 0,15-0,25, алюминий 0,05-0,15, бериллий 0,03-0,1, иттрий 0,01-0,05, медь - остальное. Суммарное содержание хрома и ванадия не превышает 1,5 мас.%. Технический результат - повышение комплекса физико-механических и служебных свойств, обеспечивающих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность теплоотводящих элементов защитных систем и теплообменного оборудования термоядерных установок. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, содержащих в качестве основы медь с заданным соотношением легирующих и модифицирующих элементов, и предназначено для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве элементов и узлов теплообменного оборудования атомных и термоядерных энергетических установок.

Известны медные конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, бронзы марок БрХ1, БрХЦр, БрХ08Т, а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-6]. Однако известные сплавы не отвечают предъявляемым требованиям по основным физико-механическим и служебным характеристикам, обеспечивающим заданную работоспособность и эксплуатационную надежность защитных систем и теплообменного реакторного оборудования, работающих в условиях длительного воздействия больших тепловых нагрузок.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по базовому химическому составу и по функциональному назначению компонентов является комплекснолегированный медный сплав системы Cu-Ni-Cr в рамках требований патента РФ №2160648 [1], содержащий в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, мас.%:

хром	0,4-1,2
цирконий	0,01-0,5
никель	0,1-2,0
марганец	≤0,8
железо	≤0,4
титан	≤0,2
медь	остальное

Сплав данного марочного состава в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации [1-6] рекомендуется использовать как конструкционный материал в различных отраслях промышленности и народного хозяйства при производстве электродов, литейных форм, деталей электросварочных машин и другого серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известный сплав характеризуется весьма низким уровнем основных физико-механических свойств в условиях эксплуатации теплообменного оборудования при температуре 300°C. Широкий разброс этих важнейших характеристик сплава, во многом определяющих работоспособность конструкции, существенно снижает и не обеспечивает требуемую эксплуатационную надежность и долговечность защитных систем реакторных установок. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов, а также другой нормативно-технической документации [2-4] содержание в медных сплавах-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его прочностных и пластических характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание теплостойкой бронзы, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических свойств при комнатной и повышенной температуре 300°C, обеспечивающих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность теплоотводящих элементов защитных систем и теплообменного оборудования термоядерных установок.

Технический результат достигается тем, что в состав известного сплава системы Cu-Ni-Cr дополнительно введены ванадий, алюминий, бериллий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	0,4-1,2
цирконий	0,1-0,5
ванадий	0,1-0,5
никель	0,15-0,25
алюминий	0,05-0,15
бериллий	0,03-0,1
иттрий	0,01-0,05
медь	остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания ряда легирующих элементов, превышение которого отрицательно влияет на механизм и характер дисперсионного упрочнения сплава в процессе распада твердого раствора при его термическом старении. В частности, суммарное содержание хрома и ванадия не должно превышать 1,5%.

Соотношение указанных легирующих и модифицирующих элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала получение заданного структурного состояния, во многом определяющего требуемый уровень прочностных и деформационных характеристик в условиях эксплуатации первой стенки порт-лимитера реактора ИТЭР [7-9]. Комплексное введение в заявляемый состав эффективных микролегирующих и модифицирующих добавок ванадия, алюминия, бериллия и иттрия в указанном соотношении с другими элементами улучшает структурную стабильность и деформационную способность сплава, а также существенно уменьшает развитие анизотропии основных физико-механических свойств прессованных заготовок. При этом, как показали лабораторные и опытно-промышленные исследования, происходит контролируемое дисперсионное упрочнение и более равномерное распределение легирующих элементов, избыточных фаз и неметаллических включений по всему сечению прессованных заготовок, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается плотность металла и возрастает прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает повышение его прочностных и пластических характеристик. Снижается склонность сплава к структурной анизотропии и существенно улучшается его технологичность на стадии металлургического передела.

Анализ диаграмм изотермического распада твердого раствора при термическом старении сплава заявляемой композиции показывает, что комплексное введение микролегирующих добавок ванадия, бериллия, алюминия в указанных концентрационных пределах обеспечивает повышение растворимости в меди ряда вводимых элементов и, в частности, хрома и положительно влияет на весь процесс дисперсионного твердения. Введение ванадия, бериллия, алюминия вне указанных в формуле изобретения пределов существенно снижает эффективность их влияния на кинетику распада пересыщенного твердого раствора и не приводит к заметному улучшению важнейших структурно-чувствительных характеристик металла, определяющих работоспособность элементов и узлов конструкции бланкета ТЯР в условиях длительного воздействия пиковых тепловых нагрузок. Модифицирование бронзы системы Cu-Ni-Cr микродобавками алюминия и иттрия, обладающими высокими физико-химическими свойствами и, в частности, высокой раскисляющей способностью, в указанном соотношении с ванадием, бериллием и другими вводимыми элементами создает благоприятные условия для дисперсионного упрочнения и заметно улучшает структурную стабильность сплава, что положительно влияет на весь комплекс основных физико-механических свойств.

Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемой бронзе доля вязкой составляющей в зоне разрушения упрочненного термическим старением металла заметно возрастает по сравнению со сплавом известного состава и существенно повышает деформационную способность металла в составе элементов и узлов теплообменного оборудования в условиях длительного воздействия рабочей среды.

Полученный более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик предлагаемой бронзы обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием содержания ряда упрочняющих элементов, во многом определяющих процессы дисперсионного твердения. В частности, превышение суммарного содержания (Cr+V), указанного в формуле изобретения, создает благоприятные концентрационные условия для зарождения и формирования хрупкой структурной составляющей, что отрицательно влияет на весь комплекс вязкопластических свойств сплава и снижает его деформационную способность.

Заявителем, совместно с другими предприятиями и организациями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральных научно-технических целевых программ [7-9], выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам предлагаемого сплава. Металл выплавлялся на современном металлургическом оборудовании - высокопроизводительных индукционных высокочастотных печах с последующей разливкой расплава в литейные формы и обработкой металла давлением методом горячего прессования.

Химический состав исследованных сплавов, а также результаты определения наиболее важных физико-механических свойств и характеристик представлены в таблицах 1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного сплава в международном проекте ИТЭР выразится в повышении общего ресурса работы и эксплуатационной надежности теплообменного оборудования и защитных систем создаваемого термоядерного реактора.

Таблица 1
Химический состав исследованных сплавов
Состав	Условный № состава	Содержание элементов, мас.%
Сr	Zr	Ni	Mn	Fe	Ti	V	Al	Be	Y	Cr+V	Cu
Заявляемый	1	0,4	0,1	0,15	-	-	-	0,5	0,05	0,03	0,01	0,9	ост.
	2	1,0	0,3	0,10	-	-	-	0,1	0,10	0,06	0,03	1,1	ост.
3	1,2	0,5	0,25	-	-	-	0,3	0,15	0,1	0,05	1,5	ост.
Известный	4	1,2	0,2	0,30	0,5	0,4	0,1	-	-	-	-	-	ост.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2160648 «Литейная форма» от 20.12.2000 г. - прототип.

2. ГОСТ 18175-78 «Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением» (марки), М., Госстандарт, 1991.

3. Технические условия ТУ48-21-779-85 «Листы плиты из бронзы БрХ1 горячекатаные», 1985.

4. ГОСТ 493-79 «Бронзы безоловянные литейные», Гостандарт, 1979.

5. А.К.Николаев, А.И.Новиков, В.М.Розенберг «Хромовые бронзы», изд-во «Металлургия», М., 1983.

6. В.М.Воздвиженский, В.А.Грачев, В.В.Спасский «Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении» - изд-во «Машиностроение», М., 1984.

7. Федеральная целевая научно-техническая программа «Разработка и исследования конструкционных материалов термоядерных реакторов проекта ИТЭР, а также тритийвоспроизводящих материалов и тритиевой технологии ТЯР», 2005.

8. Е.П.Велихов, В.П.Смирнов «Основные направления программ освоения термоядерной энергетики», М., издание РНЦ «Курчатовский институт», 2005.

9. В.М.Ефимов, В.Н.Москалев, К.С.Складнов «Разработка и опробование технологии прессования полого П-образного профиля первой стенки из жаропрочной бронзы БрХ1 порт-лимитера реактора ИТЭР». - Сб. «Вопросы атомной науки и техники», сер. «Термоядерный синтез», №2, 2006, стр.20-30.

10. Я.И.Френкель. Введение в теорию металлов. М., Физматгиз, 1958.

Бронза для теплообменного оборудования и защитных систем термоядерных реакторов, содержащая хром, цирконий, никель и медь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, алюминий, бериллий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

xром	0,4-1,2
цирконий	0,1-0,5
ванадий	0,1-0,5
никель	0,15-0,25
бериллий	0,03-0,1
алюминий	0,05-0,15
иттрий	0,01-0,05
медь	остальное

при этом суммарное содержание хрома и ванадия не превышает 1,5%.