Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb
Исследована кинетика коррозии материала труб, предназначенных для оболочек тепловыделяющих элементов, изготовленных из экспериментального циркониевого сплава Zr1Nb кальциетермического способа производства в сравнении со штатным сплавом Э110 электролитического способа производства. Определены парамет...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2006 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81332 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb / И.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.И. Ищенко, Н.М. Роенко, Р.Л. Василенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 97-102. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81332 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Петельгузов, И.А. Родак, А.Г. Пасенов, Ф.А. Ищенко, Н.И. Роенко, Н.М. Василенко, Р.Л. 2015-05-14T18:59:45Z 2015-05-14T18:59:45Z 2006 Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb / И.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.И. Ищенко, Н.М. Роенко, Р.Л. Василенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 97-102. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81332 669.296:621.78.019.84 Исследована кинетика коррозии материала труб, предназначенных для оболочек тепловыделяющих элементов, изготовленных из экспериментального циркониевого сплава Zr1Nb кальциетермического способа производства в сравнении со штатным сплавом Э110 электролитического способа производства. Определены параметры кинетики коррозии в зависимости от температуры и длительности отжига перед испытания- ми; диапазоны температур, в пределах которых коррозионные свойства сохраняют значения, близкие к исходным, и переходные температуры, при которых наблюдается снижение исследуемых характеристик. Досліджено вплив відпалів на кінетику корозії і механічні властивості матеріалу труб, призначених для оболонок тепловиділяючих елементів, виготовлених з експериментального цирконієвого сплаву Zr1Nb кальциетермічного способу виробництва, у порівнянні із штатним сплавом Е110 електролітичного способу виробництва. Визначено параметри кінетики корозії в залежності від температури і тривалості відпалу перед іспитами. Визначено діапазони температур, у межах яких корозійні властивості зберігають значення, близькі до вихідних; і перехідні температури, при яких спостерігається зниження досліджуваних характеристик. Explored influence an annealing to the kinetics of corrosion and mechanical characteristics of pipe material for shells fuel elements, made from the experimental zirconium alloy Zr1Nb calcium-thermal way of production, in the comparison with the staff alloy E110 electrolitical way of production. Determined parameters of kinetics of corrosion depending on temperature and duration annealing before testing. Conducted also mechanical testing the alloys on the ring samples. Determined ranges of temperatures, within which corrosion characteristics save values, close to source, and connecting temperatures, under which is observed reduction research; investigating features. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb Вивчення впливу відпалів на корозійну стійкість труб-оболонок для твелів із сплаву Zr1Nb Study of influence an annealing on corrosion stability of pipes-shells for fuel of Zr1Nb alloy Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb |
| spellingShingle |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb Петельгузов, И.А. Родак, А.Г. Пасенов, Ф.А. Ищенко, Н.И. Роенко, Н.М. Василенко, Р.Л. Физика и технология конструкционных материалов |
| title_short |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb |
| title_full |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb |
| title_fullStr |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb |
| title_full_unstemmed |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb |
| title_sort |
изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава zr1nb |
| author |
Петельгузов, И.А. Родак, А.Г. Пасенов, Ф.А. Ищенко, Н.И. Роенко, Н.М. Василенко, Р.Л. |
| author_facet |
Петельгузов, И.А. Родак, А.Г. Пасенов, Ф.А. Ищенко, Н.И. Роенко, Н.М. Василенко, Р.Л. |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вивчення впливу відпалів на корозійну стійкість труб-оболонок для твелів із сплаву Zr1Nb Study of influence an annealing on corrosion stability of pipes-shells for fuel of Zr1Nb alloy |
| description |
Исследована кинетика коррозии материала труб, предназначенных для оболочек тепловыделяющих элементов, изготовленных из экспериментального циркониевого сплава Zr1Nb кальциетермического способа производства в сравнении со штатным сплавом Э110 электролитического способа производства. Определены параметры кинетики коррозии в зависимости от температуры и длительности отжига перед испытания- ми; диапазоны температур, в пределах которых коррозионные свойства сохраняют значения, близкие к исходным, и переходные температуры, при которых наблюдается снижение исследуемых характеристик.
Досліджено вплив відпалів на кінетику корозії і механічні властивості матеріалу труб, призначених для оболонок
тепловиділяючих елементів, виготовлених з експериментального цирконієвого сплаву Zr1Nb кальциетермічного способу
виробництва, у порівнянні із штатним сплавом Е110 електролітичного способу виробництва. Визначено параметри кінетики
корозії в залежності від температури і тривалості відпалу перед іспитами. Визначено діапазони температур, у межах яких
корозійні властивості зберігають значення, близькі до вихідних; і перехідні температури, при яких спостерігається зниження
досліджуваних характеристик.
Explored influence an annealing to the kinetics of corrosion and mechanical characteristics of pipe material for shells fuel elements,
made from the experimental zirconium alloy Zr1Nb calcium-thermal way of production, in the comparison with the staff alloy E110 electrolitical
way of production. Determined parameters of kinetics of corrosion depending on temperature and duration annealing before testing.
Conducted also mechanical testing the alloys on the ring samples. Determined ranges of temperatures, within which corrosion characteristics
save values, close to source, and connecting temperatures, under which is observed reduction research; investigating features.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81332 |
| citation_txt |
Изучение влияния отжигов на коррозионную стойкость труб-оболочек для твэлов из сплава Zr1Nb / И.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.И. Ищенко, Н.М. Роенко, Р.Л. Василенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 97-102. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT petelʹguzovia izučenievliâniâotžigovnakorrozionnuûstoikostʹtruboboločekdlâtvélovizsplavazr1nb AT rodakag izučenievliâniâotžigovnakorrozionnuûstoikostʹtruboboločekdlâtvélovizsplavazr1nb AT pasenovfa izučenievliâniâotžigovnakorrozionnuûstoikostʹtruboboločekdlâtvélovizsplavazr1nb AT iŝenkoni izučenievliâniâotžigovnakorrozionnuûstoikostʹtruboboločekdlâtvélovizsplavazr1nb AT roenkonm izučenievliâniâotžigovnakorrozionnuûstoikostʹtruboboločekdlâtvélovizsplavazr1nb AT vasilenkorl izučenievliâniâotžigovnakorrozionnuûstoikostʹtruboboločekdlâtvélovizsplavazr1nb AT petelʹguzovia vivčennâvplivuvídpalívnakorozíinustíikístʹtrubobolonokdlâtvelívízsplavuzr1nb AT rodakag vivčennâvplivuvídpalívnakorozíinustíikístʹtrubobolonokdlâtvelívízsplavuzr1nb AT pasenovfa vivčennâvplivuvídpalívnakorozíinustíikístʹtrubobolonokdlâtvelívízsplavuzr1nb AT iŝenkoni vivčennâvplivuvídpalívnakorozíinustíikístʹtrubobolonokdlâtvelívízsplavuzr1nb AT roenkonm vivčennâvplivuvídpalívnakorozíinustíikístʹtrubobolonokdlâtvelívízsplavuzr1nb AT vasilenkorl vivčennâvplivuvídpalívnakorozíinustíikístʹtrubobolonokdlâtvelívízsplavuzr1nb AT petelʹguzovia studyofinfluenceanannealingoncorrosionstabilityofpipesshellsforfuelofzr1nballoy AT rodakag studyofinfluenceanannealingoncorrosionstabilityofpipesshellsforfuelofzr1nballoy AT pasenovfa studyofinfluenceanannealingoncorrosionstabilityofpipesshellsforfuelofzr1nballoy AT iŝenkoni studyofinfluenceanannealingoncorrosionstabilityofpipesshellsforfuelofzr1nballoy AT roenkonm studyofinfluenceanannealingoncorrosionstabilityofpipesshellsforfuelofzr1nballoy AT vasilenkorl studyofinfluenceanannealingoncorrosionstabilityofpipesshellsforfuelofzr1nballoy |
| first_indexed |
2025-11-25T22:45:48Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:45:48Z |
| _version_ |
1850572354092007424 |
| fulltext |
УДК 669.296:621.78.019.84
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТЖИГОВ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙ-
КОСТЬ ТРУБ-ОБОЛОЧЕК ДЛЯ ТВЭЛОВ ИЗ СПЛАВА Zr1Nb
И.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.И. Ищенко,
Н.М. Роенко, Р.Л. Василенко
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина
E-mail: petelg@kipt.kharkov.ua; факс: (057)335-27-54, тел: (057)335-67-67
Исследована кинетика коррозии материала труб, предназначенных для оболочек тепловыделяющих эле-
ментов, изготовленных из экспериментального циркониевого сплава Zr1Nb кальциетермического способа
производства в сравнении со штатным сплавом Э110 электролитического способа производства. Определе-
ны параметры кинетики коррозии в зависимости от температуры и длительности отжига перед испытания-
ми; диапазоны температур, в пределах которых коррозионные свойства сохраняют значения, близкие к ис-
ходным, и переходные температуры, при которых наблюдается снижение исследуемых характеристик.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие ядерной энергетики поставило задачу
разработки специальных конструкционных материа-
лов. Специфика требований, предъявляемых к
конструкционным материалам, предназначенным
для изготовления оболочек тепловыделяющих эле-
ментов атомных реакторов, заключается, прежде
всего, в том, что они должны обладать очень высо-
кой коррозионной стойкостью, высоким запасом
прочностных и пластических свойств, радиационной
стойкостью. Первые два свойства могут исследо-
ваться во внереакторных условиях, в то время как
радиационная стойкость может изучаться только в
атомных реакторах и при определённых условиях на
ускорителях заряжённых частиц.
В настоящее время разработаны и успешно ис-
пользуются циркониевые сплавы в атомных реакто-
рах Украины, России, в других странах в качестве
оболочек тепловыделяющих элементов и материа-
лов других конструкций активной зоны реакторов, в
которых теплоносителями является вода при темпе-
ратуре около 300…350 оС.
Украина имеет собственные запасы циркониевых
руд, владеет технологиями производства цирконие-
вых сплавов (кальциетермический способ) и мето-
дом изготовления труб из сплава Zr с добавкой
1%Nb (Zr1Nb) для оболочек твэлов [1,2]. Проводят-
ся систематические исследования характеристик
длительной коррозионной стойкости, механических
и структурных свойств, характеристик работо-
способности сплава в составе моделей твэлов [3-6].
В данной работе приводятся результаты изуче-
ния одного из важных факторов, воздействующих
на коррозионные и другие характеристики сплавов –
заключительной термической обработки. Данная ра-
бота имеет целью получить данные по кинетике
коррозии сплава Zr1Nb с повышенным содержанием
кислорода после отжигов в верхней области суще-
ствования α-фазы, в области (α+β)- и β-состояниях.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Автоклавные испытания являются важным сред-
ством исследований, которые используются при раз-
работке, выборе и определении многих характери-
стик материалов активных зон реакторов.
В автоклавах можно создавать условия по водно-
химическому режиму, по давлению коррозионной
среды, по температуре, которые аналогичны или
близки к параметрам работы твэлов в атомных реак-
торах.
Поскольку процесс коррозии осуществляется на
поверхности образцов, её подготовке всегда уделя-
ется большое внимание. В нашем случае подготовка
образцов и обработка их поверхности состояла в хи-
мическом травлении для обоих типов сплавов Zr1Nb
и Э110. Образцы имели вид патрубков диаметром
9,13х7,72 мм длиной 30…35 мм.
Исследовались трубы из кальциетермического
сплава Zr1Nb, изготовленные в Днепропетровском
государственном трубном институте им. акад. Оса-
ды Я.Н. (ГТИ). Сплав был получен в ГНПП «Цирко-
ний» (г. Днепродзержинск).
Для сравнения во всех экспериментах применя-
лись образцы труб из сплава Э110, штатного произ-
водства в России для оболочек твэлов реакторов
типа ВВЭР. Химический состав сплава Э110 приве-
ден на основании Технических условий на штатные
трубы из сплава Э110 ТУ 95.405.89 (Россия), а хи-
мический состав труб из сплава Zr1Nb - по данным
ядерно-физического анализа в ГТИ и ННЦ ХФТИ.
Данные приведены в табл.1.
Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов
Сплав Примеси (мас.%) 10-3
O N C Ca Si Al Cu Ti Fe Ni Cr V H F
Zr1Nb 130…
160 6,0 10 4,0 18 1,4 2,1 - 25 4,0 1,3 2,0 1,0 0,7
Э110 <100 6 20 30 20 8 5 5 50 20 20 5 1,5 -
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
97
Отжиги образцов труб производились при темпе-
ратурах 580, 590, 600, 610, 620, 640, 660, 700, 750 оС
в течение 3 и 10 ч и при 850 и 950 оС в течение 3 ч в
вакууме 2·10-5мм рт. ст. в специальных контейнерах
из циркониевого сплава.
Коррозионные исследования были выполнены в
парах воды при температуре 400 оС и давлении
20,0 МПа. Данные параметры коррозионных иссле-
дований выбраны в связи с тем, что таковые приме-
няются для определений коррозионной стойкости
изделий из циркониевых сплавов для атомной тех-
ники согласно Техническим условиям на изготовле-
ние твэльных труб для твэлов реактора ВВЭР-1000,
ASTM США и Франции.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТА-
ТЫ
Кривые зависимости привесов от времени образ-
цов труб из сплава Zr1Nb и Э110 приведены на
рис. 1. Рассматриваются два температурных интер-
вала коррозионных исследований – доэвтектоидный
и послеэвтектоидный.
2.1. Коррозия после отжига при температурах
ниже 610 оС
Из графиков видно сходство между собой ве-
личин привесов образцов сплава Zr1Nb при корро-
зии в паре при 400 0С после отжигов в течение 3 и
10 ч при температурах 580, 590, 600 и 610 оС и с
данными привесов при коррозии в исходном состоя-
нии, в состоянии поставки.
Аналитическое изучение кинетики коррозии по-
казало, что процесс коррозии циркониевых сплавов
при длительной выдержке характеризуется наличи-
ем двух периодов. На первом этапе рост оксидных
плёнок и изменение величины привеса от времени
описывается уравнением типа
(∆m/s)n=kt,
где ∆m/s - увеличение массы образца вследствие
поглощения кислорода и роста оксида, n = 3 и k –
константа. Коэффициенты k и n в уравнении кинети-
ки выводились по средним значениям эксперимен-
тальных данных.
Однако такая зависимость сохраняется в течение
времени до 500…600 ч. В дальнейшем закономер-
ность коррозии меняется и приближается к линей-
ной (n = 1).
Сходные зависимости коррозионных привесов от
времени наблюдаются и на образцах труб из штат-
ного сплава. Как и на образцах сплава Zr1Nb, кине-
тика коррозии сплава Э110 описывается кубической
зависимостью от времени в начальный период, а за-
тем кубическая зависимость переходит в линейную.
Но длительность кубического участка у образцов
сплава Э110 несколько больше, чем для образцов
сплава Zr1Nb.
Величина привесов при коррозии образцов спла-
вов Zr1Nb и Э110 после отжигов в течение 3 и 10 ч
мало или совсем не отличается на кубическом
участке и близка к привесам образцов в исходном
состоянии, т. е. после заводского изготовления. При
осмотре внешнего вида было отмечено, что образцы
после всех режимов отжигов покрыты глянцевой
темно-синей плёнкой без заметного побеления. Не
обнаружено заметной разницы в скоростях коррозии
и в состоянии внешнего вида у образцов труб из
сплавов Zr1Nb и Э110, у которых разные содержа-
ния кислорода.
2.2. Коррозия после отжига при температурах
в интервале 610…950 оС
А вот отжиг при температуре 620 оС, т.е. в обла-
сти выше эвтектоидной температуры, приводит к за-
метному повышению скорости коррозии сплава по
сравнению с коррозией образцов в исходном состоя-
нии (см. рис.1). Также постепенно повышаются при-
весы образцов после отжигов при 640, 660 и 700 оС
и более заметное увеличение привесов видно после
отжигов при 850 и 950 оС.
Кинетические кривые зависимости скорости при-
веса от времени на образцах сплавов Zr1Nb и Э110 в
условиях автоклавных испытаний при 400 оС в тече-
ние 1000 ч показывают, что увеличение температу-
ры отжига свыше 620 оС снижает коррозионную
стойкость образцов сплавов. Скорость коррозии
сплавов с повышением температуры отжига повы-
шается.
Анализ кривых коррозии так же показал, что на-
блюдаются два интервала времени окисления, когда
закономерность процесса коррозии описывается ку-
бической закономерностью (до 100…300 ч), и по-
следующего интервала, когда зависимость привеса
от времени постепенно переходит в линейную.
Состояние оксидных плёнок на образцах сплава
Zr1Nb практически совпадает с состоянием плёнок у
образцов сплава Э110 – оксидные плёнки остаются
плотными и прочными. С повышением температуры
отжига вид оксидных плёнок становится светлее.
Разброс величин привесов для образцов на уста-
новившихся стадиях коррозии не превышает 5% от
измеряемой величины.
Значения привесов, а следовательно, толщины
нарастающих окисных плёнок на образцах сплава
Zr1Nb разных плавок и сплава Э110 при одинаковом
режиме отжига очень близки, что говорит об анало-
гичности свойств и высокой коррозионной стойко-
сти сплавов Zr1Nb и Э110.
Проведено металлографическое изучение струк-
туры сплавов Zr1Nb и Э110 в исходном состоянии,
до отжига и после отжига в течение 3 ч при темпера-
турах 660, 700, 750, 850 и 950 оС.
В исходном состоянии оба исследуемые сплавы
характеризуются мелкозернистой структурой со
средним размером зерна 6…7 мкм у образцов труб
из сплава Zr1Nb и 7…8 мкм у образцов сплава Э110.
Отжиг образцов при температуре 600оС в течение
3 ч увеличивает средний размер зерна у сплава
Zr1Nb до 7…8 мкм (рис.2), а у сплава Э110 – до
9 мкм.
Как видим, размеры зёрен у обоих исследуемых
сплавов близки. Отжиг образцов при 620 оС в тече-
ние 10 ч повышает размер зерна у обоих сплавов в
среднем до 10…12 мкм. После отжига при темпера-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
98
туре 620 оС в течение 3 ч наблюдается увеличение
количества выделений, а после отжига при той же
Сплав Zr1Nb, отжиг 3 ч
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000
Время, ч
П
ри
ве
с,
м
г/
дм
2
Исх. 590 оС 600 оС 610 оС
620 оС 660 оС 700 оС 750 оС
850 оС 950 оС
Сплав Zr1Nb, отжиг 10 ч
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000
Время, ч
П
ри
ве
с,
м
г/д
м2
580 оС 590 оС 600 оС 620 оС
640 оС 660 оС 700 оС
Сплав Э 110, отжиг 3 часа
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000
Время, ч
П
ри
ве
с,
м
г/
дм
2
590 оС 600 оС 600 оС
610 оС 620 оС 700 оС
750 оС 850 оС 950 оС
Сплав Э 110, отжиг 10 ч
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000
Время, ч
П
ри
ве
с,
м
г/
дм
2
580 оС 590 оС 600 оС 620 оС
640 оС 660 оС 700 оС
Рис. 1. Кинетика коррозии труб из сплавов Zr1Nb и Э110 в парах воды при температуре 400 оС, давлении 20 МПа
Светлое поле Поляризов.свет Светлое поле Поляризов.свет
Zr1Nb, 600°С Zr1Nb, 620°С
Zr1Nb, 700°С Zr1Nb, 750°С
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
99
Zr1Nb, 850°С Zr1Nb, 950°С
Рис. 2. Структура материала труб из сплава Zr1Nb после отжига в течение 3 ч при температурах в ин-
тервале 660…950 оС, Х 300
Э110, 660оС, 3 ч Zr1Nb, 660оС, 3
Э110, 750оС, 3 ч Zr1Nb, 750оС, 3 ч
Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки структуры сплавов после отжига при 660 и 750 оС в течение 3 ч
температуре в течение 10 ч увеличиваются и разме-
ры выделений, которые располагаются в виде про-
слоек. На электронно-микроскопическом снимке
(рис.3) видно, что после отжига в течение 3 ч ещё
видны выделения βNb-фазы, но при 750 оС уже на-
блюдаются прослойки. Было предположено, что в
соответствии с диаграммой состояния системы Zr-
Nb дополнительно появившиеся прослойки являют-
ся выделениями βZr-фазы. Такое предположение
подтверждено рентгеновским анализом, который
выявил линии βZr-фазы на рентгенограммах.
При повышении температуры до 750 оС размеры
зёрен незначительно увеличиваются, структурные
выделения βNb ещё хорошо видны (см. рис. 3), хотя
после 750 оС их количество уменьшается.
После отжига при 850 оС зёрна заметно укрупня-
ются, границы зёрен структурно выделяются чётче,
а после отжига при 950 оС уже видны отдельные
светлые образования, по предположению, зёрна βZr-
фазы, и формируется экс-β-фазная структура.
Показано в отдельных экспериментах, что после
проведения отжигов при температурах в интервале
580…600 оС в течение 3…10 ч высокая коррозион-
ная стойкость материала твэльных труб сохраняется
и остаётся близкой к стойкости штатных труб из
сплава Э110 в течение 10000 ч дополнительных ис-
пытаний.
Таким образом, величина привесов при коррозии
в исследованных условиях мало зависит от отжига
при температурах до 610 оС и начинает увеличивать-
ся после отжига при температурах, выше эвтектоид-
ной линии на диаграмме состояния.
3. ОБСУЖДЕНИЕ
Предложенная в Украине схема изготовления
твэльных труб для разработки твэлов реактора
ВВЭР-1000 [1] отличается методом получения цир-
кония (кальциетермическое восстановление тетра-
фторида циркония) и нетрадиционным способом го-
рячей деформации слитка, исключающим операцию
ковки, что вносит некоторые коррективы в содержа-
ние примесей и ряд особенностей в структурно-фа-
зовое состояние труб. Из-за имеющихся различий в
технологической схеме изготовления труб возникает
потребность проведения комплекса исследований по
определению соответствия труб из сплава Zr1Nb,
являющегося аналогом по химическому составу (по
основным элементам) и по назначению – оболочки
твэлов, техническим требованиям к трубам из спла-
ва Э110. Однако проведенные ранее исследования
[3,4] показали различие в механических свойствах
сплавов Zr1Nb и Э110. Не исключалась возмож-
ность различия в коррозионных характеристиках
этих сплавов. Возникла необходимость в проведе-
нии комплекса исследований свойств кальциетерми-
ческого сплава Zr1Nb и, в частности, по определе-
нию влияния термических обработок на механиче-
ские, коррозионные и структурные характеристики с
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
100
возможной целью поиска оптимальных свойств дан-
ного материала.
По данным работы [7] при эвтектоидной темпе-
ратуре (610 °С) предел растворимости Nb в Zr нахо-
дится на уровне 0,6 мас.%. При температуре финиш-
ного отжига труб на заводе (580 °С, 3 ч) содержание
кислорода, по-видимому, находится на уровне 0,4…
0,5 мас.%. При температуре работы сплавов в реак-
торе (350…360 оС) растворимость Nb в Zr состав-
ляет 0,2…0,3%. Поэтому избыточный ниобий со-
гласно диаграмме состояния системы Zr-Nb нахо-
дится в виде βNb-фазы с содержанием ниобия до
60 мас.% и выше. Такая обогащённая ниобием фаза
называется βNb-фазой, поскольку параметры решёт-
ки её приближаются к параметрам ниобия. Выделе-
ние мелкодисперсной βNb-фазы обусловливает зави-
симость характеристик сплавов Zr с Nb от различно-
го рода термических обработок.
Отжиг снимает остаточные напряжения после
холодной деформации, создаёт одинаковые условия
роста оксидной плёнки на различных участках и, та-
ким образом, стабилизирует коррозионную стой-
кость. Отжиг в α-области оказывает, как правило,
положительное влияние на коррозионную стойкость
сплавов циркония. Чем ниже температура отжига,
тем продолжительнее должно быть время для завер-
шения проходящих процессов и получения стабиль-
ных свойств, и наоборот. Но и превышение опре-
делённых критериев отжига может снизить проч-
ностные, коррозионные характеристики и радиаци-
онную устойчивость материала труб для оболочек
твэлов. Этим объясняется важность исследований
свойств материала в зависимости от режимов терми-
ческих отжигов, определяющих конечное состояние
материала.
В работе получены экспериментальные данные о
коррозионном поведении сплавов Zr1Nb. В начале
проанализируем зависимость величины привесов от
времени при коррозии сплавов Zr1Nb и Э110 в па-
рах воды. Данные кривых на рисунках показывают
близость значений привесов образцов обоих сплавов
в исходном до отжига и в состоянии до 500 ч испы-
таний в паре, а анализ кинетики коррозии показал
сходство и в законе зависимости коррозионных при-
весов от времени.
По-видимому, химический состав и технология
получения сплавов Zr1Nb и Э110 таковы, что корро-
зионные характеристики у них всё-таки сходные. За-
кон коррозии во всех случаях кубический, хотя при-
весы у сплавов Zr1Nb несколько выше, чем у Э110.
После 400…500 ч испытаний скорость коррозии за-
метно возрастает, а закон коррозионного процесса
становится линейным у обоих сплавов.
Таким образом, кинетика коррозии описывается
двумя закономерностями до 400…500 ч кубической,
а выше до 1000 ч и больше линейной. В период от
400 до 500 ч происходит изменение закономерности
так называемый “перелом”, свойственный циркони-
евым сплавам при коррозии в области повышенных
температур.
Не только с технологической точки зрения (по-
иски более пластичной структуры), но и для изуче-
ния характеристик и особенностей коррозионных
процессов в зависимости от фазового состояния
представляет интерес исследовать кинетику корро-
зии сплавов Zr1Nb после термических отжигов, так
как во время отжига в области эвтектоидного пере-
хода сплава из α-фазы в (α+β)-состояние происходит
постепенное изменение кристаллической структуры
сплава.
Металлографические исследования показали, что
происходит укрупнение зерна от 6…8 мкм (в исход-
ном состоянии) до 10…12 мкм при отжиге при
620оС в течение 10 ч. В сплавах Zr1Nb всех плавок,
как в сплаве Э110, наблюдались в структуре мелкие
выделения размером до 2…3 мкм и редкие включе-
ния размером до 5 мкм. Предполагается, что этими
выделениями в исходном состоянии могут быть
мелкие примесные частицы и наиболее крупные вы-
деления фазы βNb [8]. Выделения в структуре про-
слоек после отжига при температуре 620 оС явно от-
носятся к выделениям βZr-фазы. Рентгенографически
в сплавах после такого отжига обнаруживаются ли-
нии такой фазовой составляющей.
Поэтому увеличение скорости коррозии у спла-
вов обоих типов после отжигов при температуре
620 оС и выше можно связать с появлением в струк-
туре сплава в результате отжига βZr-фазы, а при
охлаждении она переходит в пересыщенную α′-фазу
с сильно искажённой решёткой.
Согласно литературным данным такая α′-фаза
имеет невысокую стойкость против коррозии из-за
искажённости и напряжений в решётке.
Причина коррозионной нестойкости βZr-фазы
окончательно не установлена. Предполагается, что
это связано с её метастабильной природой при тем-
пературах ниже эвтектоидной. Поскольку после от-
жигов в (α+β)-области охлаждение образцов проис-
ходит достаточно быстро, то в структуре сплава мо-
жет оставаться часть непревращённой βZr-фазы в со-
ставе α′-фазы. Метастабильное состояние обычно
характеризуется напряжённостью в решётке матри-
цы, что может способствовать увеличению скорости
диффузионных процессов на границе «сплав-оксид»
и повышению результирующей скорости коррозии.
Как показал анализ результатов, наименьшие
привесы при 400 оС имеют образцы трубок не ото-
жженного штатного сплава Э110. После отжигов
при температурах 590, 600 и 610 оС, величины при-
весов за время испытаний несколько возрастают, но
эта тенденция слабая. В целом, коррозионная стой-
кость сплавов остаётся высокой, а оксидные плёнки
прочными и сходными по внешним характеристи-
кам с плёнками, которые образуются на образцах
штатного сплава Э110. По-видимому, отжиги в об-
ласти 580…600 оС ещё не приводят к существенно-
му изменению структуры сплавов. Однако при тем-
пературе отжига выше 610 оС наблюдается увеличе-
ние скорости коррозии с повышением температуры
и времени отжигов, что связано с изменением фазо-
вого состояния сплавов Zr1Nb и Э110.
Вопрос исследования механизмов и кинетики
коррозии сплавов циркония с ниобием в зависимо-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
101
сти от отжигов, от содержания легирующей добавки
– ниобия заслуживает дальнейшего продолжения.
Выполненная экспериментальная работа и была
направлена именно на изучение различных воздей-
ствий на характеристики коррозионной стойкости
материала труб для оболочек тепловыделяющих
элементов, в данном случае влияния режимов тер-
мических отжигов.
ВЫВОДЫ
1. Проведены коррозионные испытания и исследо-
вания материала труб для оболочек твэлов из экспери-
ментального циркониевого сплава Zr1Nb украинского
производства с целью изучения влияния на его корро-
зионную стойкость различного структурно-фазового
состояния после отжигов при температурах 580…
950 оС.
2. Показано, что при проведении дополнительных
отжигов при температурах в интервале 580…600 оС в
течение 3…10 ч влияние таких отжигов незначительно
и сохраняется высокая коррозионная стойкость мате-
риала твэльных труб, близкая к стойкости штатных
труб из сплава Э110, применяемого для изготовления
твэлов, действующих в Украине реакторов
ВВЭР-1000.
3. Найдено, что при температурах отжига 620…
700 оС начинает проявляться увеличение скорости
коррозии труб из сплавов после отжигов, что особенно
становится заметным после отжигов при 850 и 950 оС.
4. Было предположено, что снижение коррозион-
ных характеристик обусловлено изменением структур-
ного состояния сплава, в частности, появлением после
охлаждения, α′-фазы и составляющей βZr-фазы. Дан-
ные о βZr-фазе подтверждены рентгеновскими иссле-
дованиями.
5. Таким образом, выполненная работа показала
наличие перехода от коррозионно-стойкого состояния
в сплавах Zr1Nb и Э110 (доэвтектоидные температуры
580…610 оС) к состоянию с пониженной стойкостью в
зависимости от параметров отжига (при температурах
отжигов в области выше 610…620 оС).
6. Полученные результаты могут оказаться по-
лезными при разработке технологии изготовления
кальциетермического сплава и труб-оболочек для теп-
ловыделяющих элементов для реактора ВВЭР-1000.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.М. Ажажа В.С. Вахрушева, М.Л. Коцарь и др.
Кальциетермический цирконий для атомной энерге-
тики Украины // ВАНТ. Серия «Физика радиацион-
ных повреждений и радиационное материаловеде-
ние(81)».. 2002, №3, с.71-822.
2. В.С. Вахрушева. Состояние разработки технологии и
организации производства труб-оболочек твэлов из
сплава циркония КТЦ-110 в Украине // Там же.
1999, в. 1(73), 2(74), с.100.
3. В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.А. Дергач.
Комплексная оценка качества изготовленных в
Украине первых опытных партий труб оболочек
твэлов из сплава Zr1Nb // Там же (77). 1999, №2,
с.27-32.
4. В.С. Красноруцкий, И.А. Петельгузов, Н.Н. Белаш и
др. Исследование коррозионной стойкости сплава
Zr1%Nb на основе кальциетермического циркония
(КТЦ-110) с повышенным содержанием кислорода и
моделей твэлов, изготовленных из них // Труды 14
Международной конференции по физике радиаци-
онных явлений и радиационному материаловедению,
проходившей 12-17 июня 2000 г. в г. Алуште, Украи-
на. Харьков: ННЦ ХФТИ., 2000, с. 135-137.
5. В.С. Красноруцкий, И.А. Петельгузов, В.К. Яковлев
и др. Исследование моделей твэлов реактора ВВЭР-
1000, изготовленных из кальциетермического
циркониевого сплава Zr1Nb после длительных
коррозионных испытаний // ВАНТ. Серия “Физика
радиационных повреждений и радиационное
материаловедение (83).” 2003, №3, с.101-107.
6. И.А. Петельгузов. Кинетика коррозии твэльных труб
из кальциетермического циркониевого сплава
Zr+1%Nb (Zr1Nb) в воде и паре при температурах
400 и 500оС // Труды конференции «Проблемы ко-
розії та протикорозійного захисту матеріалів».
Специальный выпуск журнала «Фізико-хімічна
механіка матеріалів” Львів: Фізико-механічний
інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, 2002, т.12,
№3, с. 215.
7. K.N. Choo, Y.H. Kang, S.I. Pyun, V.F. Urbanic. Ef-
fect of composition and heat treatment on microstruc-
ture and corrosion behavior of Zr-Nb alloys //Journ. of
Nucl. Material. 1994, v.209, р.226-235.
8. И.М. Неклюдов, В.М. Ажажа, В.Н. Воеводин и др.
Исследование микроструктуры твэльных труб из
кальциетермического сплава Zr1Nb (КТЦ-110) //
Труды 15 Международной конференции по физике
радиационных явлений и радиационному материа-
ловедению, 10-15 июня 2002 г. Алушта, Украина.
Харьков, 2002, с.121.
ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ ВІДПАЛІВ НА КОРОЗІЙНУ СТІЙКІСТЬ ТРУБ-ОБОЛОНОК
ДЛЯ ТВЕЛІВ ІЗ СПЛАВУ Zr1Nb
І.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.І. Іщенко, М.М. Роенко, Р. Л. Василенко
Досліджено вплив відпалів на кінетику корозії і механічні властивості матеріалу труб, призначених для оболонок
тепловиділяючих елементів, виготовлених з експериментального цирконієвого сплаву Zr1Nb кальциетермічного способу
виробництва, у порівнянні із штатним сплавом Е110 електролітичного способу виробництва. Визначено параметри кінетики
корозії в залежності від температури і тривалості відпалу перед іспитами. Визначено діапазони температур, у межах яких
корозійні властивості зберігають значення, близькі до вихідних; і перехідні температури, при яких спостерігається зниження
досліджуваних характеристик.
STUDY OF INFLUENCE AN ANNEALING ON CORROSION STABILITY OF PIPES-SHELLS
FOR FUEL OF Zr1Nb ALLOY
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
102
I.A. Petelguzov, A.G. Rodak, F.A. Pasenov, N.I. Ischenko, M.M. Roenko, R.L. Vasilenko
Explored influence an annealing to the kinetics of corrosion and mechanical characteristics of pipe material for shells fuel elements,
made from the experimental zirconium alloy Zr1Nb calcium-thermal way of production, in the comparison with the staff alloy E110 electro-
litical way of production. Determined parameters of kinetics of corrosion depending on temperature and duration annealing before testing.
Conducted also mechanical testing the alloys on the ring samples. Determined ranges of temperatures, within which corrosion characteristics
save values, close to source, and connecting temperatures, under which is observed reduction research; investigating features.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.97 – 102.
103
И.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.И. Ищенко,
Н.М. Роенко, Р.Л. Василенко
Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов
3. ОБСУЖДЕНИЕ
І.А. Петельгузов, А.Г. Родак, Ф.А. Пасенов, Н.І. Іщенко, М.М. Роенко, Р. Л. Василенко
I.A. Petelguzov, A.G. Rodak, F.A. Pasenov, N.I. Ischenko, M.M. Roenko, R.L. Vasilenko
|