Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона

Описаны конструкция и способ получения неразъемного соединения гафниевого стержня со стальной переходной деталью, разработанного для комбинированных поглощающих элементов реактора ВВЭР-1000. Исследованы структура и граница раздела материалов в месте соединения в исходном состоянии и после испытаний...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вопросы атомной науки и техники
Date:	2005
Main Authors:	Красноруцкий, В.С., Белаш, Н.Н., Петельгузов, И.А., Слабоспицкая, Е.А., Мильяченко, Л.Ю., Савченко, В.И., Ажажа, Ж.С.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2005
Subjects:	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80593
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона / В.С. Красноруцкий, Н.Н. Белаш, И.А. Петельгузов, Е.А. Слабоспицкая, Л.Ю. Мильяченко, В.И. Савченко, Ж.С. Ажажа // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 87-93. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860266481380491264
author	Красноруцкий, В.С. Белаш, Н.Н. Петельгузов, И.А. Слабоспицкая, Е.А. Мильяченко, Л.Ю. Савченко, В.И. Ажажа, Ж.С.
author_facet	Красноруцкий, В.С. Белаш, Н.Н. Петельгузов, И.А. Слабоспицкая, Е.А. Мильяченко, Л.Ю. Савченко, В.И. Ажажа, Ж.С.
citation_txt	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона / В.С. Красноруцкий, Н.Н. Белаш, И.А. Петельгузов, Е.А. Слабоспицкая, Л.Ю. Мильяченко, В.И. Савченко, Ж.С. Ажажа // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 87-93. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Вопросы атомной науки и техники
description	Описаны конструкция и способ получения неразъемного соединения гафниевого стержня со стальной переходной деталью, разработанного для комбинированных поглощающих элементов реактора ВВЭР-1000. Исследованы структура и граница раздела материалов в месте соединения в исходном состоянии и после испытаний образцов данного соединения на устойчивость к термоциклированию в интервале температур 20… 360°С и к кратковременному нагреву в среде водяного пара до температуры 1200°С. Выполнены оценки термических напряжений в элементах конструкции соединения и проведены механические испытания соединения при температурах 20 и 350°С. Показано, что разработанное соединение сохраняет высокие механические свойства и первоначальные геометрические размеры после проведенных испытаний. Описані конструкція та спосіб виготовлення нероз′ємного з’єднання гафнієвого стержня зі стальною перехідною деталлю, розробленого для комбінованих поглинаючих елементів реактора ВВЭР-1000. Вивчені структура та границя розділу матеріалів у місці з’єднання у вихідному стані та після випробувань зразків даного з’єднання на стійкість до циклічних змін температури в інтервалі 20…360°С та до короткочасного нагрівання у середовищі водяної пари до температури 1200°С; виконані оцінки термічних напружень в елементах конструкції з’єднання і проведені механічні випробування з’єднання при температурах 20 та 350°С. Показано, що розроблене з’єднання зберігає високі механічні властивості та первинні геометричні розміри після проведених випробувань. The construction and the method of producing all-in-one hafnium rod and stainless steal adapter, that was developed for combined absorbent element of WWER-1000, are described. The structure and the boundary surface of materials at the joint were investigated in the initial state and after testing of samples from the joint for tolerance to thermocycling in the temperature range of 20…360°С and short-term heating in water steam up to 1200°С; thermal stresses of the joint construction were evaluated and mechanical tests of joint at 20 and 350°С were performed. It was shown that the developed joint retains high mechanical properties and initial geometry after testing.
first_indexed	2025-12-07T19:01:18Z
format	Article
fulltext	УДК 621.039 СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЯ ГАФНИЙ – НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ, ПОЛУЧЕННОГО ОПЛАВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ В СРЕДЕ АРГОНА В.С. Красноруцкий, Н.Н. Белаш, И.А. Петельгузов, Е.А. Слабоспицкая, Л.Ю. Мильяченко, В.И. Савченко, Ж.С. Ажажа Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина Описаны конструкция и способ получения неразъемного соединения гафниевого стержня со стальной переходной деталью, разработанного для комбинированных поглощающих элементов реактора ВВЭР-1000. Исследованы структура и граница раздела материалов в месте соединения в исходном состоянии и после ис пытаний образцов данного соединения на устойчивость к термоциклированию в интервале температур 20… 360°С и к кратковременному нагреву в среде водяного пара до температуры 1200°С. Выполнены оценки тер мических напряжений в элементах конструкции соединения и проведены механические испытания соедине ния при температурах 20 и 350°С. Показано, что разработанное соединение сохраняет высокие механиче ские свойства и первоначальные геометрические размеры после проведенных испытаний. ВВЕДЕНИЕ Дальнейшее развитие атомной энергетики бази руется на создании тепловых водо-водяных реакто ров нового поколения с повышенной надежностью и безопасностью эксплуатации, с более высокими тех нико-экономическими характеристиками всех эле ментов активной зоны, в том числе и элементов регу лирования и защиты ядерных реакторов [1-3]. Ис пользуемые в настоящее время поглощающие мате риалы в реакторах PWR и ВВЭР имеют ограничен ный ресурс. В связи с этим возросла актуальность работ, имеющих отношение к поглощающим матери алам и поглощающим элементам (пэлам). Специали сты ведущих фирм-производителей ядерного топли ва в качестве перспективной замены используемых поглощающих материалов рассматривают следую щие материалы: металлический гафний, диборид гафния HfB2; титанат диспрозия Dy2O3 TiO2 и гафнат диспрозия Dy2O3 HfO2 [1,3]. С 1992 г. в России и в Украине ведутся работы по модернизации поглощающих элементов СУЗ реакто ра ВВЭР-1000. На первом этапе рассматривается комбинированное использование материалов: Hf и B4C; Dy2O3TiO2 и B4C в пэлах специальной конструк ции [4-7]. Использование новых материалов позво лит увеличить срок службы пэлов в 3 раза, а их фи зическую эффективность до 2,5 % при значении диа метра 8,2 мм и до 15 % при значении диаметра 9,6 мм [4]. Для Украины, имеющей достаточные сырьевые ресурсы по гафнию, а также предприятия по произ водству карбида бора, гафния и изделий из него, бо лее предпочтительным по сравнению с другими ва риантами является использование пэлов с комбини рованным поглотителем Hf-B4C. В разработанных конструкциях пэлов верхняя часть состоит из не ржавеющей оболочки, заполненной карбидом бора. Нижняя часть длиной 300…1500 мм представляет собой гафниевый стержень или трубу. Верхняя и нижняя части соединены между собой через пере ходную деталь, выполненную из нержавеющей ста ли [5-7]. Одной из важных задач при создании комбини рованных пэлов является разработка конструкции переходной детали и способа соединения гафниево го стержня с нержавеющей оболочкой. Целью настоящей работы являлось исследова ние соединения гафний - нержавеющая сталь, полу ченного путем оплавления материала переходной детали электрической дугой в контролируемой сре де аргона. 1. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ Исследования и испытания соединения Hf – не ржавеющая сталь проводили на образцах, конструкция которых показана на рис. 1. 08Х18Н10Т Hf а б Рис. 1. Образец соединения гафний–нержавеющая сталь для стержневых комбинированных пэлов: а – внешний вид образца; б – конструкция образца Для изготовления образцов использовали в ка честве поглощающего материала кальциетермиче ский гафний марки ГФЭ-1, а в качестве материала ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с.87-93. 87 переходной детали (переходника) – нержавеющую сталь марки 08Х18Н10Т. Образцы соединения получали путем оплавления материала переходника в районе кольцевых высту пов, выполненных на его наружной поверхности, в результате чего происходило заполнение оплавлен ным металлом кольцевых канавок, изготовленных напротив выступов на участке гафниевого стержня, входящего внутрь переходника [7]. Оплавление материала переходника производили электрической дугой в контролируемой среде аргона на установке СА-281 (конструкции НИКИМТа) при значениях погонной энергии 80…85 Дж/мм. Режимы изготовления выбирали, преследуя цель получить со единение, имеющее достаточный запас прочности на разрыв, устойчивое к термоциклированию, сохраня ющее геометрические размеры и целостность при перегревах в случае аварийных ситуаций, обладаю щее удовлетворительной радиационной и коррозион ной стойкостью. В комплекс исследований образцов соединения гафний–нержержавеющая сталь входили металло графические исследования и механические испыта ния в исходном состоянии, после испытаний термо циклированием и испытаний, имитирующих пере грев в среде водяного пара при аварийных ситуаци ях. Структурные исследования проводили на поли рованных и травленых шлифах, используя оптиче ские микроскопы МИМ-8 и МИМ-10. Микро твердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на индентор 100 г. Механические испытания образцов выполняли на установках типа Р-10 ГОСТ 7855-74 и 1246Р-2/2300 ГОСТ 7855-84 при комнатной температуре на возду хе и при 350°С в вакууме 2×10-3 Па. Термоциклические испытания проводили в диапазоне температур 20...360°С. Количество теп лосмен равнялось 150. Средняя скорость нагрева об разцов при термоциклировании составляла 0,15оС/с, охлаждения – 7,5°С/с. Исследуемые образцы в про цессе термоциклических испытаний находились в герметичных стальных капсулах. Часть капсул была заполнена бидистиллированной водой с таким расче том, чтобы при температуре 360°С обеспечивалось давление на наружную поверхность образцов, такое как в реакторе 16 МПа, а часть капсул заполняли ар гоном технической чистоты до давления 0,1 МПа. Испытания образцов, имитирующих перегрев в случае аварийных ситуаций, проводили при темпера туре 1200°С по следующей схеме. На начальной ста дии эксперимента образец помещали в зону кварце вой трубы, нагретой до температуры 350°С, которая продувалась перегретым паром. По истечении 103 с образец перемещали в зону с перегретым паром, на ходящуюся при температуре 1200°С. Средняя ско рость нагрева образца до этой температуры составля ла 13°С/с. После выдержки при температуре 1200°С в течение 120 с образец перемещали обратно в зону с температурой 350°С, где происходило его охлажде ние. После испытаний исследовалась структура ма териалов соединения, сплошность границы раздела, механическая прочность соединения. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ Структурные исследования материалов соедине ния гафний–нержавеющая сталь проводили в зоне оплавления переходной детали, на границе кон такта гафния с зоной оплавления переходника и для сравнения в зонах, не подверженных влиянию тер мического цикла при изготовлении образцов (рис. 2 и 3). В результате исследований установлено, что на границе контакта нержавеющей стали и гафния в области оплавления при выбранных режимах суще ствует зона диффузионного взаимодействия. Ее ширина и количество слоев зависели от распределе ния величины температуры по длине зоны оплавле ния. Ширина зоны изменялась от 30 до 150 мкм, количество слоев – от одного до трех. Каждый слой имел ширину 20…50 мкм. Вид слоев и изменение микротвердости по сечению образца в зоне соеди нения показаны на рис. 2. Представленные данные свидетельствуют о том, что в зонах, где была мак симальная температура в процессе изготовления со единения, в большинстве случаев со стороны не ржавеющей стали, формировалась прослойка эвтек тического вида серого цвета микротвердостью (6,2± 0,2) ГПа. За ней следовала вторая прослойка более темного цвета, микротвердость которой равнялась (10,5±0,5) ГПа. В контакте с этой прослойкой со стороны гафниевого стержня наблюдалась про слойка шириной до 50 мкм микротвердостью (3,5± 0,5) ГПа (см. рис. 2). На гафниевом стержне в районе соприкоснове ния с оплавленным материалом переходника на блюдалась зона шириной 100...150 мкм, в которой зерна были более крупными, по сравнению с зерна ми в основной части гафниевого стержня (см. рис. 3,б). Их величина составляла 50...100 мкм. В области гафниевого стержня, удаленной от зоны термического влияния, зерна имели величину 20...60 мкм. Микротвердость гафния на исследуе мых участках равнялась (2,4±0,2) ГПа. Материал переходника в зоне оплавления имел структуру с равноосными зернами величиной 50… 75 мкм (см. рис. 3,в). На участке, удаленном от зоны термического влияния, размер зерен равнялся 3...5 мкм (см. рис. 3,г.). В зоне термического влия ния величина зерен уменьшалась в направлении от зоны оплавления к основному металлу. Значения микротвердости в средней части оплавленной обла сти, в зоне термического влияния и в области, уда ленной от зоны оплавления, находились в интерва ле значений (1,8…2,1±0,2) ГПа. Исследования образцов, изготовленных для сравнительных испытаний на более мягких режи мах (при значениях погонной энергии < 70 Дж/мм), свидетельствовали об отсутствии сплошных диф фузионных слоев на границе раздела гафния с не ржавеющей сталью в отличие от описанных выше образцов. Наблюдались лишь отдельные локальные участки плотного контакта. 88 2.2. ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ И КРАТКОВРЕМЕННОГО ПЕРЕГРЕВА В ПАРЕ НА СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЯ Испытание образцов соединения гафний–не ржавеющая сталь на устойчивость к термоциклиро ванию в среде аргона и в воде не привели к замет ным изменениям их геометрических размеров и фор мы. Внешний вид образцов после испытаний при веден на рис. 4,а,б. В результате термоциклирова ния в контейнерах, заполненных аргоном, на гаф ниевом стержне образовалась блестящая оксидная пленка светло серого цвета с зеленоватым оттен ком, а на поверхности переходника – более темная пленка с фиолетовым оттенком (см. рис. 4,а). Рис. 2. Значения микротвердости по сечению соединения гафний – нержавеющая сталь. Структура границы раздела б в г Рис. 3. Соединение гафний – нержавеющая сталь, полученное оплавлением материала переходника в установке аргонодуговой сварки СА-281: а – сечение соединения (ув. 4); б – структура гафниевого стержня (ув. 100); в –структура нержавеющей стали в зоне оплавления (ув. 100); г – структура нержавеющей стали на участке, удаленном от зоны термического влияния (ув. 450) Испытания образцов в контейнерах с водой приве ли к их окислению с образованием более толстых ок сидных пленок: на гафнии блестящей пленки серого цвета, а на поверхности переходника – блестящей пленки черного цвета (см. рис. 4,б). Металлогра фические исследования материалов соединения и границы раздела гафния и нержавеющей стали по сле термоциклических испытаний свидетельство 89 вали о том, что заметного изменения структуры и ми кротвердости нержавеющей стали и гафния не произошло. Также не наблюдалось на границе раздела образования трещин и отслоений (рис. 5). После ис пытаний образцов в перегретом паре при 1200°С на поверхности нержавеющей стали образовалась мато вая светло серая оксидная пленка толщиной 20… 35 мкм. Она легко отслаивалась от поверхности образцов. На гафниевом стержне оксидная пленка имела черный блестящий цвет и была прочно сцеплена с поверхностью (см. рис. 4,в). В месте соединения гафниевого стержня и переходника наблюдалось незначительное увеличение диамет ра, составляющее не более 10 мкм. а г б д в е Рис. 4. Внешний вид образцов соединения гафний – нержавеющая сталь после испытаний: а – термоциклированием в стальном контейнере, заполненном аргоном; б – термоциклированием в стальном контейнере, заполненном бидистиллированной водой; в – нагревом в паре при 1200°С в течение 120 с; г, д, е – после кратковременных механических испытаний образцов, соответственно, вида: а, б и в Нагрев образцов при 1200°С в течение 120 с при вел к росту зерен в материале переходника. В обла сти, удаленной от зоны термического влияния, они увеличились от 3...5 мкм до 160...300 мкм, а в обла сти оплавления – от 50...75 мкм до 250...400 мкм. Рис. 5. Граница раздела гафния и нержавеющей стали в соединении после термоциклических испы таний (150 циклов, ∆Т=(20…360)°С) Микротвердость материала переходника в этих областях имела близкие значения и равнялась (2,0±0,2) ГПа. На гафниевом стержне также проис ходило заметное увеличение размера зерен. В зоне, прилегающей к нержавеющей оболочке, зерна вы росли от 50...100 мкм до 120...250 мкм, а в средней части – соответственно от 20...60 мкм до 100...150 мкм. Микротвердость материала гафниево го стержня различалась незначительно в указанных областях и составляла (2,8±0,2) ГПа. Исследования границы раздела соединения гаф ний-нержавеющая сталь свидетельствовали об от сутствии заметного роста зоны диффузионного вза имодействия, однако в отдельных местах наблюда лись трещины. Сравнительные механические испытания образ цов соединения в исходном состоянии после термо циклирования в капсулах, заполненных соответ ственно аргоном и водой, а также после нагрева в водяном паре при 1200°С показали, что разработан ное соединение сохраняет достаточно высокую прочность. Усилия разрушения образцов в исходном состоя нии и после термоциклирования в среде аргона и воды имели близкие значения и составляли при ком натной температуре 10,5…11,2 кН, а при температу ре 350°С – 5,5…6,5 кН. Данные значения превыша ли на 15…20 % аналогичные значения, полученные на исходных образцах, изготовленных на более мяг ких режимах, при которых не происходило образо вания зоны диффузионного взаимодействия, и в 2 раза превышали прочность нержавеющей оболочки пэла ∅ 8,2×0,6 мм, заполненной карбидом бора. Об разцы соединения, которые подвергались испытани ям в перегретом водяном паре при 1200°С, имели более низкие значения прочности по сравнению с исходными образцами. Усилия, приводящие к раз рушению этих образцов, при комнатной температу ре равнялись 9,0…9,7 кН, а при температуре 350°С – 5,3…5,5 кН. Характер разрушения исходных образ цов и образцов после термоциклирования и испыта ний в водяном паре при 1200°С был одинаковым. В результате механических испытаний образцов раз 90 08Х18Н10Т Hf рушение происходило на участке гафниевого стерж ня в районе первой кольцевой канавки (см. рис. 4, г,д,е). Причем после разрушения на гафниевом стержне и внутренней поверхности переходника сохранялись следы диффузионной прослойки, сви детельствующие о том, что в процессе испытаний вначале разрушалось соединение по хрупкой про слойке, а затем уже по гафниевому стержню в месте наименьшего сечения. 2.3. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРО ВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИИ Оценку напряжений в элементах конструкции разработанного соединения проводили, используя приближенную модель, которая представляла собой двухслойный цилиндр, состоящий из внутреннего сплошного гафниевого стержня (сплава ГФЭ-1) и внешней оболочки (сталь 08Х18Н10Т). При расче тах предполагалось следующее: оболочка и сердеч ник неразрывно связаны между собой, нагрев и охлаждение соединения обеспечивает безградиент ное поле температур по всему сечению в каждый момент времени; напряженно-деформированное со стояние соединения обусловлено разностью терми ческого расширения сердечника и оболочки; соеди нение получено при условиях, когда сердечник, разогретый до температуры 800°С, охватывается стальной оболочкой, нагретой до температуры, близкой к температуре плавления, и это соединение охлаждается до 20°С; каждый термический цикл представляет собой нагрев до 360°С с последующим охлаждением до 20°С. Данные, принятые при расчете, приведены в та блице. Согласно расчетам, первоначальное охлаждение образцов в процессе изготовления приводит к воз никновению в оболочке остаточных напряжений, эк вивалентное значение которых достигает предела текучести материала оболочки при комнатной тем пературе. Геометрические размеры и физико-механические свойства материалов соединения, принятые при расчете Физико-механические свойства Сердечник: сплав ГФЭ-1 Оболочка: нерж. сталь 08Х18Н10Т Источник информа ции Наружный диаметр: сердечника D1, мм; оболочки D2, мм 6,0 8,2 Температура плавления Т, °С 2225 1440 [8,9] Коэффициент линейного термического расширения β, 10-6, 1/°С 5,9 17,0 [8,9] Модуль Юнга Е, 105МПа 1,4 2,1 [8,10] Коэффициент Пуассона μ 0,29 0,28 [8,10] Предел текучести σ0,2, МПа: при 20°С; при 360°С 425 280 246 186 [11,12] Предел прочности при растяжении σB, МПа: при 20°С; при 360°С 580 360 520 370 [11-13] Относительное удлинение δ, % 22 45 [11-13] Относительное сужение ψ, % 25 60 [12,13] Это ограничивает величину контактного давле ния в зоне сопряжения и, следовательно, значения радиальных и окружных напряжений в сердечнике. Максимальные осевые напряжения в оболочке и сердечнике определялись из условий отсутствия усилия на торцах и равенства эквивалентных напря жений в оболочке пределу текучести материала. Результаты расчета компонент напряжений на внутренней (наиболее напряженной) поверхности оболочки и осевых напряжений в сердечнике в тече ние цикла приведены на рис. 6. Анализ результатов расчета показал, что максимальные растягивающие напряжения (окружные и осевые) оболочка испыты вает при комнатной температуре. В процессе нагре ва они снижаются, переходят в сжимающие при ∼ 130°С и выходят на постоянный уровень при ∼225°С в связи с переходом оболочки в пластическое состо яние. При охлаждении образцов напряжения в обо лочке снижаются, меняют знак при ∼265°С и растут по величине, пока эквивалентные напряжения не до стигнут предела текучести нержавеющей стали, что происходит при ∼180°С. Значения напряжений при максимальной и минимальной температурах цикла несколько отличаются по величине, что обусловле но зависимостью предела текучести материала от температуры (в интервале температур 225…360°С принято минимальное значение предела текучести, равное 186 МПа). В гафниевом стержне напряжения находятся в упругой области в течение всего цикла (осевые – не превышают ∼113 МПа, окружные и ра диальные – 65 МПа). Оценку циклической долговечности выполняли по критерию малоцикловой усталости, который учи тывал совместное влияние упругой и пластической составляющих деформации на долговечность. Для данного случая использовали уравнение Мэнсона, описывающее связь между амплитудой полной де формации и числом циклов до разрушения с учетом влияния среднего напряжения для асимметричного цикла [14]: ∆ε = [ln(1 – ψ)-1]0.6N-0.6 + 3,5 σB N-0.12 /E, (1) 91 где ∆ε – размах полной деформации цикла; N – чи сло циклов до разрушения; ψ, σВ, Е – характеристики материала оболочки (см. таблицу). Рис. 6. Компоненты напряжений в материале пере ходника и гафниевом стержне в зависимости от температуры в процессе термоциклирования Для нахождения допустимого числа рабочих циклов решение уравнения (1) следует разделить на коэффициент запаса по циклической долговечности (nc), который принимается равным 10 [15]. Полученные данные свидетельствуют, что цик лическая долговечность материала переходника со единения составит ∼4,3×102 циклов, а циклическая долговечность гафниевого стержня находится за пределами малоцикловой усталости и составит бо лее 105 циклов. 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Физико-механические свойства соединений и ис пользуемых материалов в соединениях, описанных выше, обусловлены в первую очередь особенностя ми конструкции и способом изготовления. Выбран ные в разработанном соединении соотношения тол щины стенки переходной детали, диаметра гафни евого стержня и глубины кольцевых канавок на стержне обеспечили условия, когда разрушение в процессе механических испытаний происходило по гафнию, т.е. по элементу конструкции, большая часть материала которого не претерпела изменений в процессе его изготовления и сохранила исходные физико-механические свойства. Кроме того, соглас но расчетам напряженно-деформированного состоя ния узлов соединения, в процессе работы при на личии теплосмен циклическая прочность гафниево го стержня в соединении будет находиться за преде лами малоцикловой усталости и, следовательно, мо жет выдержать без разрушения достаточно большое (~105) число циклов. Материал переходной детали, которую в процес се изготовления соединения нагревали до темпера туры плавления, выполнена конструктивно с запа сом, что обеспечило прочность соединения при рас тяжении в 2 раза выше по сравнению с нагрузками, при которых происходило разрушения оболочки пэла, заполненной карбидом бора. Полученные ре зультаты измерения микротвердости на нержавею щей стали в зоне оплавления, а также результаты ис следования структуры позволяют сделать заключе ние о достаточной надежности материала переход ника в соединении. Близкие значения усилия разрушений образцов соединения, которые подвергались испытаниям в перегретом водяном паре, и образцов, полученных на более мягких режимах, когда сцепление на грани це раздела отсутствовало, вероятно, свидетельству ют о нарушении сцепления на границе раздела гаф ния и нержавеющей стали в результате испытаний. Однако прочность соединения образцов уменьши лась всего лишь на 15…20%. Это свидетельствует о том, что даже в случае образования трещин и отсло ений на границе раздела гафния и нержавеющей ста ли в данном соединении в процессе длительной ра боты в реакторе оно обеспечит целостность погло щающего элемента. Таким образом, в результате анализа полученных результатов можно заключить, что разработанное соединение гафниевого стержня и переходной дета ли, выполненной из нержавеющей стали, для погло щающих элементов комбинированного варианта об ладает достаточно высокой надежностью и может быть рекомендовано для дальнейших исследований, включая реакторные испытания. ВЫВОДЫ 1. Проведены материаловедческие исследования свойств соединения гафний–нержавеющая сталь, разработанного для комбинированных вариантов поглощающих элементов реактора ВВЭР-1000. 2. Показана возможность изготовления надеж ных соединений гафний – нержавеющая сталь путем оплавления материала переходной детали, выпол ненной из нержавеющей стали, электрической дугой в контролируемой среде аргона. 3. Испытания термоциклированием в интервале температур 20...360°С (150 циклов) не привели к за метным изменениям геометрических размеров об разцов, структуры и микротвердости материалов со единения, характера и усилий разрушения при меха нических испытаниях. 4. Выполнена оценка циклической долговечно сти элементов конструкции разработанного соеди нения. Показано, что циклическая долговечность не ржавеющей переходной детали данного соединения составит ∼4,3×102 циклов, а циклическая долговеч ность гафниевого стержня находится за пределами малоцикловой усталости и может составлять более 105 циклов. 5. Показано, что нагрев соединений в среде водя ного пара при температуре 1200°С в течение 120 с не приводит к нарушению их целостности, а проч - осевые в сердечнике 0 5 10 15 20 25 30 35 4020 15 10 5 0 5 10 15 20 25 - окружные в оболочке - осевые в оболочке - радиальные в зоне контакта Температура, °С Ко мп он ен ты на пр яж ен ий , М Па 92 ностные характеристики сохраняются на высоком уровне. 6. Разработанный вариант соединения обладает достаточно высокой надежностью и может быть ре комендован для дальнейших исследований и реак торных испытаний. Работа выполнена в рамках Программы проведе ния фундаментальних исследований по атомной науке и технике ННЦ ХФТИ. ЛИТЕРАТУРА 1.В.Д. Рисованный, Е.Е. Варлашова, С.Р. Фридман. Поглощающие материалы и органы регулирования реакторов ВВЭР-1000 и PWR. Состояние, пробле мы и пути их решения /Обзор. Димитровград, ГНЦ РФ НИИАР, 1998, 54 с. 2.Ю.Ф. Конотоп, Н.П. Одейчук, В.С. Красноруцкий. Современное состояние проблемы поглощающих нейтроны материалов и изделий на их основе для реакторов типа ВВЭР-1000. /Аналитический обзор. Харьков, ННЦ ХФТИ, 1998, 68 с. 3.В.И. Ряховских, С.В. Шмелёв, В.М. Чернышов и др. Современное состояние разработки и произ водства органов регулирования ядерных реакторов ВВЭР-1000 //Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и ра диационное материаловедение», 1997, в. 1(65), 2(66). с. 110–118. 4.В.Б. Пономаренко, А.О. Пославский, В.М. Черны шов и др.. Органы регулирования и СВП ядерных реакторов ВВЭР-1000 и пути их совершенствования //Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физи ка радиационных повреждений и радиационное ма териаловедение», 1994, в. 2(62), 3(63), с. 95–113. 5.В.Б. Пономаренко, А.О. Пославский и др. Комби нированные поглощающие элементы реакторов типа ВВЭР-1000, БПБР, ВВЭР-500 (600) с повышенным сроком службы //III Межотраслевая конференция по реакторному материаловедению. Димитровград, 27-30 октября 1992 г. Димитровград: НИИАР, 1994, т. 2. 6.Патент № 24734 UA от 30.10.98 (бюл. № 5), G 21C7/10. Регулирующий стержень ядерного реак тора /В.Б. Пономаренко, А.О. Пославский, В.М. Чернышов и др. 7.В.С. Красноруцкий, В.Р. Татаринов, П.А. Чернов. Патент Украины. Поглощающий стержневой эле мент ядерного реактора, № 738 от 15.03.2001. 8.А.А. Афанасьев, Ю.Ф. Конотоп, Н.П. Одейчук. Гафний – перспективный поглотитель для пэлов СУЗ реакторов ВВЭР-1000 Украины //Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиаци онных повреждений и радиационное материалове дение», 2000, в. 4 (78), с. 80–85. 9.П.Б. Михайлов-Михеев. Справочник по металли ческим материалам турбино - и моторостроения. М.-Л.: Изд. машиностроительной литературы, 1961, 839 с. 10.Л.В. Тихонов, В.А. Кононенко и др. Структура и свойства металлов и сплавов /Справочник. Киев: «Наукова думка», 1986, 567 с. 11.Г.И. Волокита, Э.А. Резниченко, В.П Чернуха, В.И. Савченко. Свойства гафниевых прутков, полу ченных методом ковки. //Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники», 2002, в. 1, с. 127–132. 12.Марочник сталей и сплавов /Под ред. В.Г. Соро кина. М.: «Машиностроение», 1989, 639 с. 13.В.Д. Рисованый, В.П. Клочко, В.Б. Пономаренко. Гафний в ядерной технике. Димитровград: НИИАР, 1993, 140 с.. 14.Сопротивление материалов деформированию и разрушению /Справочное пособие. Ч. 2. /Под ред. В.Т. Трощенко, Киев: «Наукова думка», 1994, 704 с. 15.С.В. Серенсен, В.П. Когаев, Р.М. Шнейдерович. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: «Машиностроение», 1975, 488 с. ВЛАСТИВОСТІ З′ЄДНАННЯ ГАФНІЙ – НЕРЖАВІЮЧА СТАЛЬ, ОДЕРЖАНОГО ОПЛАВЛЕННЯМ ЭЛЕКТРИЧНОЮ ДУГОЮ У СЕРЕДОВИЩІ АРГОНУ В.С. Красноруцький, М.М. Бєлаш, І.А. Петельгузов, О.О. Слабоспицька, Л.Ю. Мільяченко, В.І. Савченко, Ж.С. Ажажа Описані конструкція та спосіб виготовлення нероз′ємного з’єднання гафнієвого стержня зі стальною перехідною деталлю, розробленого для комбінованих поглинаючих елементів реактора ВВЭР-1000. Вивчені структура та границя розділу матеріалів у місці з’єднання у вихідному стані та після випробувань зразків даного з’єднання на стійкість до ци клічних змін температури в інтервалі 20…360°С та до короткочасного нагрівання у середовищі водяної пари до температури 1200°С; виконані оцінки термічних напружень в елементах конструкції з’єднання і проведені механічні ви пробування з’єднання при температурах 20 та 350°С. Показано, що розроблене з’єднання зберігає високі механічні властивості та первинні геометричні розміри після проведених випробувань. THE PROPERTIES OF HAFNIUM – STAINLESS STEAL JOINT THAT WAS OBTAINED BY ELEC TRIC ARC IN ARGON V.S. Krasnorudsky, N.N. Belash, I.A. Petelguzov, E.A. Slabospitska, L.Y. Miljathenko, V.I. Savshenko, Zh.S. Azhazha The construction and the method of producing all-in-one hafnium rod and stainless steal adapter, that was developed for com bined absorbent element of WWER-1000, are described. The structure and the boundary surface of materials at the joint were in vestigated in the initial state and after testing of samples from the joint for tolerance to thermocycling in the temperature range of 93 20…360°С and short-term heating in water steam up to 1200°С; thermal stresses of the joint construction were evaluated and mechanical tests of joint at 20 and 350°С were performed. It was shown that the developed joint retains high mechanical proper ties and initial geometry after testing. 94
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80593
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T19:01:18Z
publishDate	2005
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Красноруцкий, В.С. Белаш, Н.Н. Петельгузов, И.А. Слабоспицкая, Е.А. Мильяченко, Л.Ю. Савченко, В.И. Ажажа, Ж.С. 2015-04-19T16:04:30Z 2015-04-19T16:04:30Z 2005 Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона / В.С. Красноруцкий, Н.Н. Белаш, И.А. Петельгузов, Е.А. Слабоспицкая, Л.Ю. Мильяченко, В.И. Савченко, Ж.С. Ажажа // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 87-93. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80593 621.039 Описаны конструкция и способ получения неразъемного соединения гафниевого стержня со стальной переходной деталью, разработанного для комбинированных поглощающих элементов реактора ВВЭР-1000. Исследованы структура и граница раздела материалов в месте соединения в исходном состоянии и после испытаний образцов данного соединения на устойчивость к термоциклированию в интервале температур 20… 360°С и к кратковременному нагреву в среде водяного пара до температуры 1200°С. Выполнены оценки термических напряжений в элементах конструкции соединения и проведены механические испытания соединения при температурах 20 и 350°С. Показано, что разработанное соединение сохраняет высокие механические свойства и первоначальные геометрические размеры после проведенных испытаний. Описані конструкція та спосіб виготовлення нероз′ємного з’єднання гафнієвого стержня зі стальною перехідною деталлю, розробленого для комбінованих поглинаючих елементів реактора ВВЭР-1000. Вивчені структура та границя розділу матеріалів у місці з’єднання у вихідному стані та після випробувань зразків даного з’єднання на стійкість до циклічних змін температури в інтервалі 20…360°С та до короткочасного нагрівання у середовищі водяної пари до температури 1200°С; виконані оцінки термічних напружень в елементах конструкції з’єднання і проведені механічні випробування з’єднання при температурах 20 та 350°С. Показано, що розроблене з’єднання зберігає високі механічні властивості та первинні геометричні розміри після проведених випробувань. The construction and the method of producing all-in-one hafnium rod and stainless steal adapter, that was developed for combined absorbent element of WWER-1000, are described. The structure and the boundary surface of materials at the joint were investigated in the initial state and after testing of samples from the joint for tolerance to thermocycling in the temperature range of 20…360°С and short-term heating in water steam up to 1200°С; thermal stresses of the joint construction were evaluated and mechanical tests of joint at 20 and 350°С were performed. It was shown that the developed joint retains high mechanical properties and initial geometry after testing. Работа выполнена в рамках Программы проведения фундаментальних исследований по атомной науке и технике ННЦ ХФТИ. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона Властивості з′єднання гафній – нержавіюча сталь, одержаного оплавленням электричною дугою у середовищі аргону The properties of hafnium – stainless steal joint that was obtained by electric arc in argon Article published earlier
spellingShingle	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона Красноруцкий, В.С. Белаш, Н.Н. Петельгузов, И.А. Слабоспицкая, Е.А. Мильяченко, Л.Ю. Савченко, В.И. Ажажа, Ж.С. Материалы реакторов на тепловых нейтронах
title	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона
title_alt	Властивості з′єднання гафній – нержавіюча сталь, одержаного оплавленням электричною дугою у середовищі аргону The properties of hafnium – stainless steal joint that was obtained by electric arc in argon
title_full	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона
title_fullStr	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона
title_full_unstemmed	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона
title_short	Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона
title_sort	свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона
topic	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
topic_facet	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80593
work_keys_str_mv	AT krasnoruckiivs svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT belašnn svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT petelʹguzovia svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT slabospickaâea svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT milʹâčenkolû svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT savčenkovi svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT ažažažs svoistvasoedineniigafniineržaveûŝaâstalʹpolučennogooplavleniemélektričeskoidugoivsredeargona AT krasnoruckiivs vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT belašnn vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT petelʹguzovia vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT slabospickaâea vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT milʹâčenkolû vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT savčenkovi vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT ažažažs vlastivostízêdnannâgafníineržavíûčastalʹoderžanogooplavlennâmélektričnoûdugoûuseredoviŝíargonu AT krasnoruckiivs thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon AT belašnn thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon AT petelʹguzovia thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon AT slabospickaâea thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon AT milʹâčenkolû thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon AT savčenkovi thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon AT ažažažs thepropertiesofhafniumstainlessstealjointthatwasobtainedbyelectricarcinargon

Свойства соединений гафний-нержавеющая сталь, полученного оплавлением электрической дугой в среде аргона

Institution

Similar Items