Высокопрочный титановый сплав для корпусных конструкций атомного реактора с водяным теплоносителем

Авторы патента:

Ханжин Александр Валерьевич (RU)

Ковальчук Михаил Валентинович (RU)

Ледер Михаил Оттович (RU)

Орыщенко Алексей Сергеевич (RU)

Скрупскас Виталий Викторович (RU)

Леонов Валерий Петрович (RU)

Иголкина Татьяна Николаевна (RU)

Счастливая Ирина Алексеевна (RU)

G21C3/07 - отличающиеся материалом, например сплавами

C22C14/00 - Сплавы на основе титана

Владельцы патента RU 2702251:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, предназначенных для изготовления корпусных конструкций атомных энергетических установок с водяным теплоносителем. Высокопрочный сплав на основе титана для изготовления корпусных конструкций атомных энергетических реакторов с водяным теплоносителем содержит, мас. %: алюминий 4,0-4,5; молибден 1,5-2,5; цирконий 18,0-21,0; хром ≤ 0,003; никель ≤ 0,005, кобальт ≤ 0,0008; железо ≤ 0,014; кремний ≤ 0,006; углерод ≤ 0,006; азот ≤ 0,005; кислород < 0,05; медь ≤ 0,005; титан - остальное. Суммарное содержание алюминия и циркония составляет 22,0-25,0 мас.%, суммарное содержание никеля, хрома, меди, кобальта и железа не превышает 0,02 мас.% и суммарное содержание углерода, кислорода и азота не превышает 0,05 мас.%. Сплав характеризуется высокой прочностью и пластичностью в исходном состоянии и после длительного нейтронного облучения. 3 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности металлургии титановых сплавов, обладающих высокой радиационной стойкостью и предназначенных для использования в атомной энергетике, в частности для изготовления корпусных конструкций реакторов стационарных атомных энергетических установок (АЭУ).

Титановые сплавы, благодаря своим уникальным свойствам: малоактивируемости, немагнитности, низкой плотности, высокой температуре плавления, хорошей коррозионной стойкости в различных средах, сохранению уровня механических свойств при нагреве до температуры 400°С, характерной для режимов эксплуатации водоохлаждаемых энергетических реакторов, предлагаются в настоящее время как конструкционные материалы для оборудования атомной энергетики.

Известен свариваемый высокопрочный сплав на основе титана, предназначенный для изготовления крупногабаритных сварных конструкций, используемых в судостроении и других отраслях промышленности [1] - сплав, содержащий мас. %: алюминий 4,5-6,2; ванадий 1,0-2,0; молибден 1,3-2,0; углерод 0,06-0,14; цирконий 0,05-<0,10; кислород 0,06-0,13; кремний 0,02-<0,10; железо 0,05-0,25; титан остальное, при выполнении следующих соотношений: [С]+[O₂]≤0,25; [Mo]+0,5[V]≤3,0. Этот сплав имеет достаточно высокий уровень прочностных свойств на воздухе и в морской воде, но недостатком его являются низкие характеристики пластичности и ударной вязкости в исходном состоянии и после нейтронного облучения, а также довольно высокое содержание примесей Ni, Cu, Со, Cr, С, О, и N, присутствующих в титановом сплаве, которые приводят к охрупчиванию в условиях нейтронного облучения при флюенсе Ф≥1×10¹⁹ нейтрон/см² с энергией тепловых нейтронов Е≥0,5 МэВ, что ограничивает срок службы сплава для корпусных конструкций атомного реактора.

Известен титановый сплав, предназначенный для использования при производстве оборудования и в корпусных конструкциях ядерных энергетических установок [2] - 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%. Основным недостатком этого сплава является существенное упрочнение и значительное снижение вязкости разрушения в условиях нейтронного облучения за счет нестабильности его структурных составляющих. Известно, что при повреждающей дозе нейтронного облучения 0,3 СНА и более в сплавах титана, содержащих высокие концентрации Al и V, формируются наноразмерные кластеры, содержащие атомы алюминия до 8% и атомы ванадия до 22% [3,4], приводящие к снижению остаточной пластичности после облучения ≤ 2% и охрупчиванию сплава. При этом снижается работоспособность и эксплуатационная надежность реакторного оборудования в процессе длительной эксплуатации в составе АЭУ.

В качестве прототипа предложен малоактивируемый титановый сплав с высокой ударной вязкостью, предназначенный для ядерного реактора, содержащий мас. %: алюминий 3,5-5,5; ванадий 2,0-5,0; цирконий 2,0-5,0; хром 0,5-2,0; кремний 0,1-0,5; примеси включают никель не более 0,005; железо не более 0,03; кислород не более 0,15; углерод не более 0,02; медь не более 0,005; кобальт не более 0,0001 и водород не более 0,003 [6]. Для известного сплава отсутствуют сведения о прочностных и пластических свойствах сплава после нейтронного облучения. Не представлены данные по темпу снижения наведенной активности после нейтронного облучения, что делает необоснованным определение сплава как малоактивируемого. Содержание ванадия и хрома в составе сплава существенно ограничивают термическую стабильность, а также характеристики относительного удлинения и ударной вязкости разрушения при длительных сроках нейтронного облучения, из-за потери однородности первоначального твердого раствора α и β фаз, легированных ванадием. В сплаве также отсутствует регламентация содержания примесей, таких как азот, железо, кремний и углерод.

Техническим результатом является создание высокопрочного псевдо-α титанового сплава на основе композиции Ti-Al-Zr-Mo для изготовления корпусных конструкций атомных энергетических реакторов, обеспечивающего необходимый комплекс механических характеристик в исходном состоянии и после длительного нейтронного облучения.

Технический результат достигается за счет того, что высокопрочный сплав на основе титана для изготовления корпусных конструкций атомных энергетических реакторов с водяным теплоносителем содержит алюминий, цирконий, молибден, железо, никель, кремний, хром, медь, кобальт, кислород, азот, углерод при следующем соотношении, мас. %:

Алюминий (Al)	4,0-4,5
Цирконий (Zr)	18,0-21,0
Молибден (Mo)	1,5-2,5
Железо (Fe)	≤0,014
Кремний (Cr)	≤0,006
Углерод (С)	≤0,006
Азот (N)	≤0,005
Кислород (О)	≤0,05
Никель (Ni)	≤0,005
Хром (Cr)	≤0,003
Медь (Cu)	≤0,005
Кобальт (Со)	≤0,0008
Титан (Ti)	остальное

При этом суммарное содержание алюминия и циркония находится в пределах %Al+%Zr=22,0÷25,0 суммарное содержание никеля, хрома, меди, кобальта и железа не превышает 0,02 мас. %, суммарное содержание углерода, кислорода и азота не превышает 0,05 мас. %.

Способ получения заявляемого титанового сплава, включает в себя двойной переплав в вакуумной дуговой печи расходуемого электрода с расчетным шихтовым составом, включающим высокочистый губчатый титан, с суммарным содержанием никеля, хрома, меди и кобальта и железа не более 0,02% и твердостью (НВ) не более 85.

Содержание алюминия в заявляемых пределах 4,0-4,5% обеспечивает высокий уровень кратковременной и длительной прочности, теплостойкость при температурах от +20°С до +350°С, обеспечивает стабильность характеристик крупногабаритных полуфабрикатов, в том числе сварных конструкций. Повышение содержания алюминия в сплаве выше 4,5% при облучении приводит к формированию α₂-фазы и образованию кластеров в α-твердом растворе, обогащенных алюминием [4,5]. Содержание алюминия ниже 4,0% не обеспечивает требований по уровню прочности сплава.

Содержание циркония в заявляемых пределах 18,0-21,0% в сочетании с алюминием обеспечивает необходимый уровень прочностных характеристик, в том числе повышает прочность и предел ползучести. Цирконий повышает пластичность сплава и, как следствие, технологичность при горячей деформации крупногабаритных поковок. Контролируемый диапазон легирования цирконием определяет структурную стабильность сплава при длительном нейтронном облучении.

Содержание молибдена в заявленных пределах 1,5-2,5% обеспечивает необходимое количество β-фазы в сплаве и гарантирует высокий уровень прочностных характеристик сплава при минимальной потере пластичности при повышенных температурах. Превышение содержания молибдена выше 2,5% приводит к образованию нестабильных фаз α' и α'' и снижению пластичности сварных соединений [7].

Суммарное содержание никеля, хрома, меди, кобальта и железа понижено до 0,02% по сравнению с известным сплавом для обеспечения термической стабильности сплава в условиях длительного температурного и радиационного воздействия, так как эти элементы ограничивают устойчивость твердого раствора α и псевдо-α титановых сплавов за счет образования сегрегаций на границе зерен [8].

Суммарное содержание примесей элементов внедрения углерода, кислорода и азота не превышает 0,05 мас. %, как элементов существенно влияющих на пластичность сплава при температурах от 200°С до 350°С.

Промышленную применимость изобретения подтверждает пример его конкретного выполнения. Для исследования механических характеристик были изготовлены слитки трех составов сплава композиции Ti-Al-Zr-Mo методом двойного вакуумно-дугового переплава с последующим изготовлением опытных поковок габаритом 100×100×250 мм. Для изготовления слитков были использованы следующие шихтовые материалы: губка титановая марки Эк-1; лигатура молибдена; чистый алюминий; чистый электролитический цирконий.

Термическая обработка (отжиг) поковок проводилась по режиму: температура нагрева (800±10)°С →выдержка 2 часа →охлаждение на воздухе.

Химический состав опытных поковок из заявляемого титанового сплава и механические характеристики при температурах испытания 20 и 350°С представлены в таблицах 1 и 2. Механические характеристики определялись при растяжении образцов с рабочей длиной 15 мм и диаметром рабочей части 3 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9651-84. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам.

Образцы из опытных сплавов подвергались нейтронному облучению в исследовательском реакторе МИР (ГНЦ НИИ АР, Россия) до флюенса Ф=3×10²⁰ нейтрон/см² с энергией En≥0,5 МэВ при температуре облучения +270°С в водяном теплоносителе с рН^25°C=9÷10,5. Испытания на растяжение проводились на установке Instron 1362 с жесткостью 450 кН/мм со скоростью перемещения активного захвата v=1,0 мм/мин в соответствие с требованиями ГОСТ 28840-90. Результаты испытаний облученных материалов (предел текучести и относительное удлинение) при температурах испытаний 20 и 350°С представлены в таблице 3.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения заявляемого титанового сплава определяется радиационной стойкостью при флюенсе Ф=3×10²⁰ н/см², высоким расчетным темпом снижения наведенной активности с достижением уровня радиационной безопасности после облучении в реакторе типа ВВЭР в течение 40 лет. Высокопрочный титановый сплав предназначен для атомных энергетических установок малой мощности с водяным теплоносителем с расчетным сроком эксплуатации не менее 60 лет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент RU 2393258 Сплав на основе титана

2. Патент RU 2367697 Титановый сплав для реакторного оборудования атомной и термоядерной энергетики

3. Tahtinen S., Moilanen P., Singh B.N. - Effekt jf displacement dose and irradiation temperature jn tensile and fracture toughness properties of titanium alloys. Journal of Nuclear Materials. 2007, Vol. 360-370, Part A, c. 627-632

4. S.V. Rogozhkin - Study of Nanostructure of Experimental Ti-5Al-4V-2Zr Alloy - S.V. Rogozhkin, I.A. Schastlivaya, V.P. Leonov, A.A. Nikitin, N.N. Orlov, M.A. Kozodaev, A.A. Vasiliev, A.S. Orekhov - Inorganic Materials: Applied Research, 2017, Vol. 8, No. 6, pp. 848-860

5.1. A. Schastlivaya - Investigation of Radiation Resistance and Structural Stability of Titanium α-and Pseudo-α Alloys - I.A. Schastlivaya V.P. Leonov, A.V. Khanzhin, A.V. Obukhov, O.Yu. Makarov, and Yu.S. Kudrin - Inorganic Materials: Applied Research, 2017, Vol. 8, No. 6, pp. 944-950

6. Патент CN 106521239 High-impact-toughness low-activation titanium alloy for nuclear reactor

7. И.И. Корнилов - Титан - M: Изд. Наука,. 1975, с. 92

8. С.С. Ушков, И.Г. Власова, Н.Х. Киевская - Особенности микросегрегаций примесных и легирующих элементов в а- сплавах титана. Физика металлов и металловедение, т. 57, вып. 1, 1984, с 194-197.

Высокопрочный сплав на основе титана для изготовления корпусных конструкций атомных энергетических реакторов с водяным теплоносителем, содержащий алюминий, цирконий, молибден, кремний, хром и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, углерод, азот, кислород, никель, медь и кобальт, при следующем соотношении, мас. %:

Алюминий (Al)	4,0-4,5
Цирконий (Zr)	18,0-21,0
Молибден (Mo)	1,5-2,5
Железо (Fe)	≤0,014
Кремний (Si)	≤0,006
Углерод (С)	≤0,006
Азот (N)	≤0,005
Кислород (О)	<0,05
Никель (Ni)	≤0,005
Хром (Cr)	≤0,003
Медь (Cu)	≤0,005
Кобальт (Со)	≤0,0008
Титан (Ti)	остальное,

при этом суммарное содержание алюминия и циркония составляет 22,0÷25,0 мас.%, суммарное содержание никеля, хрома, меди, кобальта и железа не превышает 0,02 мас. %, а суммарное содержание углерода, кислорода и азота не превышает 0,05 мас. %.

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки.

Твэл реактора на быстрых нейтронах // 2646597

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.

Состав водорастворимого покрытия для защиты поверхности ядерного топливного стержня // 2642667

Изобретение относится к составу водорастворимого покрытия для защиты поверхности ядерного топливного стержня, а также к раствору покрытия и способу его нанесения.

Композитная оболочка тепловыделяющего элемента ядерного реактора, способ ее получения и применения для предотвращения окисления/гидрирования // 2641668

Группа изобретений относится к композитной оболочке тепловыделяющего элемента ядерного реактора. Композитная оболочка тепловыделяющего элемента ядерного реактора содержит подложку, содержащую внутренний слой на основе циркония и один промежуточный слой, расположенный на указанном внутреннем слое и состоящий по меньшей мере из одного промежуточного материала, выбранного из тантала, молибдена, вольфрама, ванадия, гафния или их сплавов, и по меньшей мере один внешний слой, расположенный на подложке и состоящий из защитного материала, выбранного из хрома или сплава на основе хрома.

Способ герметизации тепловыделяющих элементов ядерного реактора с оболочкой из высокохромистой стали // 2603355

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов. Способ герметизации твэлов включает аргонодуговую сварку оболочки с заглушкой из высокохромистой стали, снаряжение твэла топливом, приварку к другому концу оболочки второй заглушки, термообработку сварных соединений.

Оболочка ядерного топлива с высокой удельной теплопроводностью и способ ее производства // 2504030

Данное изобретение относится к оболочкам микротвэлов ядерного реактора. Оболочка полностью или частично изготовлена из композиционного материала с керамической матрицей, содержащей волокна карбида кремния (SiC) в качестве армирования матрицы и межфазный слой между матрицей и волокнами.

Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора // 2451347

Изобретение относится к трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора. .

Топливный сердечник тепловыделяющего элемента // 2419897

Изобретение относится к атомной энергетике и может использоваться в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) с таблеточным топливом, которые применяются в быстрых энергетических реакторах.

Микротвэл ядерной энергетической установки космического базирования // 2347290

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в сверхвысокотемпературных космических реакторах. .

Способ эксплуатации ядерного реактора и использование специального сплава оболочки стержня для снижения повреждения от взаимодействия между таблетками и оболочкой // 2337417

Изобретение относится к способам эксплуатации ядерного реактора для производства электроэнергии. .

Деталь газотурбинного двигателя, содержащая сплав на основе титана // 2701779

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деталям газотурбинного двигателя, изготовленных из титанового сплава. Деталь газотурбинного двигателя выполнена с использованием трехкомпонентного сплава Ti-Cr-Al с массовым содержанием Cr от 6 до 9% и содержанием Al от 1 до 3% или трехкомпонентного сплава Ti-Cr-Sn с массовым содержанием Cr от 6 до 9% и содержанием Sn от 1 до 5%.

Монокристаллический материал интерметаллического соединения титана и алюминия и методы его получения // 2701438

Изобретение относится к области металлургии, в частности к интерметаллическим сплавам титана и алюминия, и может быть использовано для изготовления деталей летательных аппаратов и автомобилей.

Способ аддитивного производства изделий из титановых сплавов с функционально-градиентной структурой // 2700439

Изобретение относится к аддитивному производству изделий с функционально-градиентной структурой из титановых сплавов. Способ включает изготовление, по меньшей мере, части изделия путем подачи первой проволоки и второй проволоки в ванну расплава с обеспечением плавления высокоэнергетическим воздействием электронного пучка.

Титановый продукт и способ его производства // 2699338

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изделиям из титанового сплава, и может быть использовано для изготовления теплообменников, конденсаторов, холодильников и других изделий, обладающих высокой коррозионной стойкостью.

Способ получения монофазного интерметаллидного сплава с высокой степенью однородности на основе титана // 2698081

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению монофазных интерметаллидных сплавов, и может быть использовано в атомной, энергетической, авиационной и аэрокосмической промышленности в качестве базовых композиционных материалов при производстве изделий и покрытий, работающих в области высоких температур, Способ получения монофазного интерметаллидного сплава на основе титана включает механоактивационную обработку смеси порошков алюминия и титана, уплотнение, нагрев смеси порошков алюминия и титана высокочастотным электромагнитным полем и выдержку при этой температуре в течение времени, соответствующего образованию интерметаллидного сплава заданного состава.

Способ изготовления волоска для часового механизма // 2696809

Настоящее изобретение относится к способу изготовления волоска для часового баланса, выполненного из ниобиево-титанового сплава, включающему в себя этап создания заготовки из ниобиево-титанового сплава, содержащего ниобий: остаток до 100 вес.%; титан от 40 до 60 вес.%; следы элементов из группы, включающей в себя O, H, C, Fe, Ta, N, Ni, Si, Cu, Al, каждый из которых присутствует в количестве от 0 до 1600 млн-1 по весу и общее количество которых составляет от 0 до 0,3 вес.%; этап β-закаливания указанной заготовки заданного диаметра, так чтобы титан указанного сплава находился в основном в форме твердого раствора с β-фазным ниобием, а содержание α-фазного титана было меньше или равно 5% по объему; по меньшей мере один этап деформации указанного сплава, чередующийся с по меньшей мере одним этапом термообработки, так чтобы полученный ниобиево-титановый сплав имел предел упругости, больший или равный 600 МПа, и модуль упругости, меньший или равный 100 ГПа, причем этап навивки для формирования волоска выполняют до этапа окончательной термообработки; перед этапом деформации этап нанесения на заготовку из сплава поверхностного слоя пластичного материала, например меди, для облегчения формования проволоки, причем толщину наносимого слоя пластичного материала выбирают такой, чтобы отношение площади пластичного материала к площади ниобиево-титанового сплава для данного поперечного сечения проволоки составляло меньше 1.

Деформируемый высокоэнтропийный сплав для высокотемпературных применений // 2696799

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемым высокоэнтропийным сплавам, и может быть использовано для производства конструкций, работающих в условиях высоких температур в газотурбинных двигателях.

Α-β титановый сплав // 2695852

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановому α-β сплаву, характеризующемуся высокой обрабатываемостью резанием. Титановый α-β сплав содержит, мас.%: Cu 0,1-2,0, Ni 0,1-2,0, Al 2,0-8,5, C 0,08-0,25, Cr 0-4,5 и/или Fe 0-2,5 при их суммарном содержании 1,0-7,0, Ti и неизбежные примеси – остальное.

Способы получения изделий из титана и титановых сплавов // 2695850

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения изделий из титанового сплава. Способ получения изделия из титанового сплава включает плавление шихтовых материалов с источником водорода, содержащим гидрид титана, с образованием расплава титанового сплава, разливку по меньшей мере части расплава с образованием гидрогенизированного слитка титанового сплава, деформирование гидрогенизированного слитка при температуре сначала в области β-фазы, а затем в области α+β+δ-фаз с образованием обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка, и дегидрогенизацию обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии.

Способ легирования титана углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (кэшп) // 2694178

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве титана, легированного углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) расходуемого электрода.