СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ ТРЕХСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА СТАЛЬ – ВАНАДИЕВЫЙ СПЛАВ – СТАЛЬ ПОСЛЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Создание нового конструкционного материала для оболочек ТВЭЛ атомных реакторов на быстрых нейтронах является актуальной  задачей современной атомной энергетики. В последние годы был разработан трехслойный радиационностойкий и коррозионностойкий  материал на основе ванадиевого сплава и коррозионной стали, потенциально удовлетворяющий требованиям работы оболочек ТВЭЛов  быстрых реакторов в сверхжестких условиях эксплуатации (высоких температур, радиационного облучения и агрессивных сред). Важнейшим аспектом, определяющим работоспособность этого материала при эксплуатации, является качество соединения слоев различных материалов между собой, определяемое режимами деформационно-термической обработки. В настоящей работе изучено влияние  отжига на химический состав, структуру и сопротивление разрушению зоны соединения ванадиевого сплава со сталью в трехслойной  трубе сталь  –  ванадиевый сплав – сталь, полученной совместным горячим прессованием трехслойной трубной заготовки при 1100 °С.  В  качест  ве компонентов трубы использовали сталь 20Х13 для наружных слоев и ванадиевый сплав V – 4Ti – 4Cr для сердцевины. Структуру и  химичес кий состав в зоне соединения слоев исследовали методами оптической микроскопии и электронной микроскопии с микрорентгеноспектральным анализом. Прочность зоны соединения сталь – ванадиевый сплав оценивали при испытании на сжатие кольцевого  трехслойного образца с надрезом с измерением акустической эмиссии (АЭ). Показано, что при совместном прессовании между ванадиевым сплавом и сталью формируется «переходная» зона диффузионного взаимодействия переменного химического состава толщиной  10  –  15  мкм, которая представляет собой непрерывный ряд твердых растворов, без выделения хрупких фаз, что обеспечивает прочное соединение в трехслойном материале. На границе соединения сталь – ванадиевый сплав пор, расслоений и дефектов не обнаружено. Однако  при испытаниях на сжатие полукольцевых трехслойных образцов с надрезом после совместного горячего прессования в стальном слое в  вершине надреза образуется трещина. Отжиг при температуре 800 °С благоприятно влияет на формирование «переходной» зоны за счет  увеличения толщины зоны диффузионного взаимодействия, вследствие чего при механических испытаниях трехслойный материал ведет  себя как монолит без образования трещин и расслоений на границе между стальным и ванадиевым слоями.

трехслойные трубы,  коррозионностойкие стали,  ванадиевые сплавы,  микроструктура,  деформация,  разрушение,  трещина,   акустическая эмиссия

1. Smith D.L., Chung H.M., Loomis B.A., Witzenburg W. Van. Development of vanadium-base alloys for fusion first-wall – blanket applications // Journal of Fusion Engineering and Design. 1995. Vol. 29. P. 399 – 410.

2. Nagasaka T., Muroga T., Fukumoto K., Watanabe H., Grossbeck M.L., Chen J. Development of fabrication technology for low activation vanadium alloys as fusion blanket structural materials // Nuclear Fusion. 2006. Vol. 46. P. 618 – 625.

3. Bray T.S., Tsai H., Nowicki L.J., Billone M.C., Smith D.L., Johnson W.R., Trester P.W. Tensile and Impact Properties of V–4Cr–4Ti Alloy Heats 832665 and 832864 // Journal of Nuclear Materials. 2000. Vol. 283-287. P. 633 – 636.

4. Votinov S.N., Kolotushkin V.P., Nikulin S.A., Turilina V.Y. Making vanadium-based radiation-resistant alloys for fast-neutron reactor pin sheaths // Metal Science and Heat Treatment. 2009. Vol. 51. P. 238 – 244.

5. Rowcliffe A.F., Zinkle S.J., Hoelzer D.T. Effect of Strain Rate on the Tensile Properties of Unirradiated and Irradiated V–4Cr–4Ti // Journal of Nuclear Materials. 2000. Vol. 283-287. P. 508 – 512.

6. Votinov S.N., Solonin M.I., Kazennov Yu.I., Kondratjev V.P. Prospects and problems using vanadium alloys as a structural material of the first wall and blanket of fusion reactors // Journal of Nuclear Materials. 1996. Vol. 233. P. 370 – 375.

7. Fukumoto K., Narui M., Matsui H., Nagasaka T., Muroga T., Li M., Hoelzer D.T., Zinkle S.J. Environmental effects for irradiation creep behavior of highly purified V–4Cr–4Ti alloys (NIFS-Heats) irradiated by neutrons // Journal of Nuclear Materials. 2009. Vol. 386-388. P. 575 – 578.

8. Kurtz R.J., Abe K., Chernov V.M., Hoelzer D.T., Matsui H., Muro ga T., Odette G.R. Recent Progress on Development of Vanadium Al loys for Fusion // Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol. 329-333. P. 47 – 55.

9. Muroga T., Nagasaka T., Abe K., Chernov V.M., Matsui H., Smith D.L., Xu Z.-Y., Zinkle S.J.. Vanadium Alloys – Overview and Recent Results // Journal of Nuclear Materials. 2002. Vol. 307-311. P. 547 – 554.

10. Fukumoto K., Matsui H., Narui M., Yamazaki M. Irradiation creep behavior of V–4Cr–4Ti alloys irradiated in a liquid sodium environment at the JOYO fast reactor // Journal of Nuclear Materials. 2013. Vol. 437. P. 341 – 349.

11. Li X., Zhang C., Zhao J., Johansson B. Mechanical properties and defective effects of bcc V–4Cr–4Ti and V–5Cr–5Ti alloys by firstprinciples simulations // Computational Materials Science. 2011. Vol. 50. P. 2727 – 2731.

12. Loomis B.A., Kestel B.J., Smith D.L. Microstructural evolution and yield stress increase for ion-irradiated V–15Cr–5Ti alloys // Journal of Nuclear Materials. 1988. Vol. 155-157. P. 1305 – 1309.

13. Aoyagi K., Torres E.P., Suda T., Ohnuki S. Effect of hydrogen accumulation on mechanical property and microstructure of V-Cr-Ti alloys // Journal of Nuclear Materials. 2000. Vol. 283-287. P. 876 – 879.

14. Chen J., Qiu S., Yang L., Xu Z., Deng Y., Xu Y . Effects of oxygen, hydrogen and neutron irradiation on the mechanical properties of several vanadium alloys // Journal of Nuclear Materials. 2002. Vol. 302. P. 135 – 142.

15. Natesan K., Soppet W.K., Uz M. Effects of Oxygen and Oxidation on Tensile Behavior of V–4Cr–4Ti // Journal of Nuclear Materials. 1998. Vol. 258-263. P. 1476 – 1481.

16. Matsushima T., Satou M., Hasegawa A., Abe K., Kayano H. Tensile properties of a series of V–4Ti–4Cr alloys containing small amounts of Si, Al and Y , and the influence of helium implantation // Journal of Nuclear Materials. 1998. Vol. 258-263. P. 1497 – 1501.

17. Heo N.J., Nagasaka T., Muroga T., Matsui H. Effect of Impurity Levels on Precipitation Behavior in the Low-activation V–4Cr–4Ti Alloys // Journal of Nuclear Materials. 2002. Vol. 307-311. P. 620 – 624.

18. Nikulin S.A., Rozhnov A.B., Nechaikina T.A., Rogachev S.O., Za vodchikov S.Yu., Khatkevich V.M. Structure and mechanical properties of the three-layer material based on a vanadium alloy and corrosion-resistant steel // Russian Metallurgy (Metally). 2014. Vol. 2014. P. 793 – 799.

19. Nikulin S.A., Rozhnov A.B., Nechaikina T.A., Rogachev S.O., Votinov S.N., Zavodchikov S.Yu. Combined Technique for Estimating the Quality of Joining the Layers in Three-Layer Pipes // Russian Metallurgy (Metally). 2014. Vol. 2014. P. 347 – 350.

20. Khanzhin V.G. Designing computer systems for acoustic emission materials testing // Metal Science and Heat Treatment. 2009. Vol. 51. P. 245 – 249.

21. Khanzhin V.G., Nikulin S.A., Belov V.A., Turilina V.Yu., Rozhnov A.B. Hydrogen embrittlement of steels: I. Analysis of the process kinetics using acoustic emission measurements // Russian Metallurgy (Metally). 2013. Vol. 2013. P. 308 – 312.

22. Nikulin S.A., Rozhnov A.B., Rogachev S.O., Nechaykina T.A., Anike enko V.I., Turilina V.Yu. Improvement of mechanical properties of large-scale low-carbon steel cast products using spray quenching // Materials Letters. 2016. Vol. 185. P. 499 – 502.