Введение к работе
Актуальность работы. В проектируемых вариантах реакторов на быстрых нейтронах (БР) и термоядерных установок (ТЯР) закладываются чрезвычайно жесткие условия эксплуатации и высокие требования к конструкционнным материалам. Кроме хороших технологических свойств и ядерно-физических характеристик, материалы оболочек твэлов БР и первой стенки ТЯР при дозах облучения за всю кампанию работы 2-3-1023нейтр/см2 и температурах 400-800 С не должны распухать более чем на 5 %, изменять линейные размеры за счет ползучести не более чем на 1 %, а прочность и пластичность должны соответствовать уровню, обеспечивающему надежную и безопасную эксплуатацию аппаратов.
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных по радиационной стойкости аустенитных хромо-никелевых нержавеющих сталей, однако, ни одна из используемых ныне сталей не удовлетворяет указанным выше требованиям. Так, результаты реакторных испытаний и иммитационных исследований образцов сталей 12Х18Н10Т, 06Х16Н15МЗБ, 09Х1БН15МЗБР, 08Х1ВН15МЗТР свидетельствуют, что при флюенсах свыше 1-Ю23 нейтр/см2 практически полностью исчерпывается ресурс их возможной эксплуатации.
Можно выделить несколько направлений в решении проблемы реакторных материалов, которые реализуются в настоящее время:
совершенствование технологии выплавки материалов, изготовления и обработки полуфабрикатов и готовых изделий;
использование в качестве конечной операции технологии изготовления изделий холодной деформации;
оптимизация химического состава используемых сталей и сплавов за счет легирования малыми добавками химически активных элементов;
разработка принципиально новых радиационностойких материалов для изделий активных зон БР и ТЯР.
Наиболее экономически выгодным способом создания новых материалов для оболочек и чехлов активной зоны БР и первой стенки ТЯР является совершенствование технологии выплавки, оптимизация состава и термо-механиической обработки используемых в настоящее время и хорошо освоенных промышленностью сталей. При этом повышение радиационной стойкости материалов возможно благодаря подбору сочетания дополнительно вводимых в стали и сплавы элементов. Так, долегированпе аустенитных хромо-никелевых сталей небольшим количеством Ті, Mb,
Si, В, Mo, W, а также редкоземельными элементами (РЗЭ), в части Sc, повышает радиационную стойкость сталей.
Цель диссертации. Разработка технологии выплавки сталей а енитного класса, микролегированных Sc, исследование влияния ра: чных методов выплавки и уровня микролегирования на их структур свойства.
В соответствии с целью работы решались следующие задачи:
разработать технологию опытно-промышленной выплавки стал» оптимальные способы их микролегирования Sc;
исследовать влияние микролегирования Sc и различных споо выплавки на макро- и микроструктуру сталей, их фазовый і тав, на механические, коррозионные свойства аустенитных < лей, на радиационное распухание аустенитных сталей.
Научная новизна работы характеризуется тем, что впервые пі чены и исследованы аустенитные стали, микролегированные скандиеі Определена концентрационная зависимость влияния микролеп вания скандием на растворимость азота в расплаве стали 06Х16Н151 Рассчитаны условия нитридообразования ScN в расплаве при различ; температурах.
Показано, что микролегирование скандием существенно измеї микроструктуру слитков, модифицируя неметаллические включени. интерметаллидные фазы скандием.
Исследовано влияние уровня микролегирования скандием на кі чество и величину скоплений скандийсодержащих неметалличеі включений и интерметаллидных фаз. Установлен максимально допусті уровень микролегирования сталей аустенитного класса скандием, і воляющий проводить горячую деформацию слитков.
Показано, что фазовый состав исследумых сталей выплавки оі деляется уровнем микролегирования, чистотой исходных материалов сере, фосфору и степенью рафинирования расплава от растворенных зовых примесей.
Исследована растворимость скандия в стали 06Х16Н15МЗБ. 0] делен оптимальный, с точки зрения фазового состава стали, ypoi микролегирования.
Изучено влияние способа выплавки на величину микрохимичеі неоднородности слитков и трубных заготовок. Отмечен минималі уровень микрохимической неоднородности при выплавке аустени' сталей методом вакуумного центробежного литья.
На основе теории капиллярной коагуляции неметаллических ві чений рассмотрены закономерности образования и распределения ш
- 5 -таллических включений при различных способах выплавки. Объяснена причина значительно меньшего загрязнения слитков скоплениями РЗЭ-содержащих включений при вакуумном центробежном литье по сравнению со стационарным литьем.
Исследовано влияние микролегирования скандием на физико-механические и коррозионные свойства сталей аустенитного класса. Показано, что микролегирование через структурные факторы оказывает существенное влияние на свойства трубных заготовок и готовых изделий - тонкостенных твэльных труб.
Показано, что микролегирование скандием приводит к подавлению вакансионного распухания аустенитных сталей при ионном и нейтронном облучениии.
Практическая значимость работы. В процессе проведения исследований были разработаны и испытаны химически- и эрозионностойкие тигли для индукционной выплавки сталей, вакуумная индукционная печь с донным разливом металлов и сплавов, способы микролегирования скандием аустенитных сталей и скандийсодержащие лигатуры.
Разработан метод вакуумного центробежного литья сталей и сплавов (ВЦБЛ) и технологическое оборудование, позволяющее получать высококачественные трубные заготовки.
На основании проведенных экспериментов отработана технология производства трубных заготовок методом вакуумной индукционной плавки с последующим вакуумным дуговым переплавом и термо-механической обработкой (ВИП+ВДП). Проведены опытно-промышленные плавки в условиях завода "Электросталь" общим объемом 50 т, что позволило изготовить около 6 км чехловых и твэльных труб. Выпущены технические условия на трубную заготовку из разработанной аустенитной стали, микролегированнной скандием, 06X1! :;: ::,!2ТРч ИД, которой присвоена Гос. марка ЭК99 ИД.
На защиту выносится:
-
Технология получения аустенитных сталей, микролегированных скандием, устойчивых к радиационному распуханию и обеспечивающая получение требумых технологических, прочностных и коррозионных свойств.
-
Метод вакуумного центробежного литья, позволяющий получать трубные заготовки из сталей и сплавов с низким уровнем неметаллических включений, с высокой плотностью и однородностью химического состава, а также существенно повышающий технико-экономические показатели их производства.
-
Параметры оптимальных технологических режимов вакуумной
индукционной выплавки, вакуумного дугового переплава и спос микролегирования скандием аустенитных сталей.
4. Оптимизированная по химическому составу аустенитная ст микролегированная скандием, - 06Х16Н15М2ТРч (Гос. марка ЭКЭ9 обладающая высокой технологичностью и радиационной стойкостью.
Апробация работы. Основные результаты исследований по диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных совещания физике радиационных повреждений и радиационному материаловед (Харьков: 1982, 1984, 1986 гг.), на V, VI, VII, VIII школах по зике радиационных повреждений (Харьков 1985 г., Алушта: 1987 1989 г., 1992 г.),на 7 Всесоюзном научно-техническом совещании проблемам спецэлекртометаллургии (Москва 1987 г. ), Всесоюзном вещании "Опыт производства нержавеющих труб для атомной энерг ки" (Москва, 1989 г.), Международной конференции по радиацион материаловедению (Алушта 1990 г. ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных ра получено 4 авторских свидетельства.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введ 3 глав, выводов и приложения, изложена на 168 страницац, вкл 130 страниц машинописного текста, 31 таблицу, 44 рисунка и сп использованных литературных источников в количестве 130 наимен ний.