Введение к работе
Актуальность темы. Исследование влияния воздействия потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП) на материалы, помимо изучения фундаментальных физических явлений, представляет значительный интерес в связи с двумя направлениями исследований, проводимых в настоящее время:
разработкой физико-химических основ экологически чистых технологий модифицирования материалов при их обработке концентрированными потоками энергии (КПЭ);
использованием потоков ВТИП для имитации срывов плазмы, ожидаемых в термоядерных реакторах типа токамак.
Известно, что эффективность, долговечность и надежность деталей и узлов систем и механизмов в значительной степени определяются их поверхностными свойствами. Учитывая это, разработка методов модифицирования поверхностных слоев материалов изделий является актуальной задачей для развития новых современных технологий. Среди таких технологий весьма перспективными и широко используемыми в промышленно-развитых странах являются методы обработки поверхности концентрированными потоками энергии, одним из видов которых являются потоки импульсной плазмы.
Воздействие потоками ВТИП на металлические материалы приводит к созданию приповерхностных слоев с модифицированным структурно-фазовым состоянием, в том числе, и неравновесным, имеющих, как правило, повышенные физико-механические и физико-химические свойства: микротвердость, износостойкость, прочностные характеристики, эрозионную и коррозионную стойкость и другие. При этом обработка потоками ВТИП обладает рядом преимуществ не только в сравнении с традиционными технологическими процессами термомеханической и химико-термической обработок, но и с воздействием других видов концентрированных потоков энергии. Основными преимуществами данного метода в сравнении с другими нетрадиционными технологиями обработки являются:
одновременное использование рабочего вещества плазмы как средства для нагрева и легирования приповерхностных слоев материала;
возможность одновременной всесторонней обработки поверхности изделий цилиндрической формы;
относительно высокая микрооднородность структуры, состава и свойств обработанной поверхности;
возможность финишной обработки относительно больших (до 0,15 м2) площадей поверхности или готовых изделий за короткий промежуток времени (один или несколько импульсов длительностью от 3-5 до 100 мкс).
К началу выполнения данной работы были проведены лишь отдельные исследования, выполненные в ФГУП ГНЦ РФ ТРИНИТИ (г. Троицк) Ю.В. Скворцовым, В.М. Струнниковым, С.С. Церевитиновым, В.И. Васильевым и др., по изучению влияния воздействия потоками ВТИП на изменения микроструктуры, микротвердости и коррозионной стойкости некоторых материалов. Однако для создания технологий обработки серийных изделий потоками импульсной плазмы необходимо проведение целенаправленных комплексных научных исследований для выявления закономерностей изменений структурно-фазового состояния материалов и создания физических основ технологий, определяющих требуемые эксплуатационные свойства и ресурс изделий.
Другим важным в научном и практическом значении направлением изучения воздействия потоками ВТИП на твердое тело является исследование закономерностей эрозии перспективных материалов первой стенки разрабатываемых термоядерных реакторов (ТЯР) типа токамак в условиях, имитирующих ожидаемые срывы тока плазмы, достигающие по удельной мощности до 2-20 МВт/см2 при длительности воздействия от 0,1 до 3 мс. Это может вызвать сильные локальные оплавления поверхности, кипение, испарение (сублимацию) и растрескивание материала. Такие виды повреждений, помимо загрязнения плазмы примесями, в конечном итоге, могут привести к ухудшению эксплуатационных свойств и даже выходу узлов реактора из строя. Поэтому выбор материалов для компонентов конструкции рабочей камеры и исследование их радиационной эрозии, в частности, в условиях, имитирующих ожидаемые срывы плазмы, являются актуальными и важными задачами при разработке различных проектов ТЯР.
К моменту начала выполнения данной работы в литературе практически отсутствовали экспериментальные результаты по изучению эрозии перспективных материалов первой стенки термоядерных реакторов в условиях воздействия потоками импульсной плазмы, имитирующего ожидаемые срывы плазмы, за исключением нескольких публикаций сотрудников ННЦ ХФТИ (И.М. Неклюдова, В.Н. Воеводина, А.Г. Беликова, В.П. Гончаренко, Д.К. Гончаренко и др.) Жесткость условий работы, недостаток данных о свойствах материалов и, особенно, их поведении в рабочих условиях, а также различные варианты конструкций первой стенки ТЯР объясняют рассмотрение широкого круга конструкционных и экранных материалов. Поскольку выбранные на сегодняшний день материалы первой стенки международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР- коррозионно-стойкая сталь SS3I6LN, Be, W и углеграфитовые композиты обладают целым рядом недостатков, окончательный выбор материалов, контактирующих с плазмой для термоядерных реакторов второго поколения (ДЕМО и др.) еще не сделан и исследования в этом направлении весьма актуальны.
Таким образом, актуальность темы настоящей работы в научном плане определяется развитием нового научного направления - модифицирование металлических материалов потоками высокотемпературной импульсной плазмы, выявлением основных механизмов и закономерностей изменения структурно-фазового состояния и разработкой физических основ технологий обработки, а в практическом отношении - установлением основных закономерностей изменения эксплуатационных свойств различных функциональных материалов и изделий при обработке потоками импульсной плазмы и эрозии перспективных материалов первой стенки ТЯР в условиях, имитирующих ожидаемые срывы тока плазмы.
Актуальность данной работы подтверждается тем, что исследования выполнялись в рамках ГНТП «Технологии, машины и производства будущего», «Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы»; ФЦП «Национальная технологическая база» и «Интеграция науки и высшего образования России»; инновационных НТП «Радиационные комплексы и технологии для научного приборостроения, медицины, производства товаров народного потребления», «Пдазменно-лучевые технологии и радиационные комплексы»; межотраслевой программы сотрудничества между Минобразования и Минатомом России; грантов Минатома РФ и Росатома в области фундаментальных и поисковых НИР; проектов МНТЦ.
Цель работы — разработка физических основ экологически чистых и энергоэкономичных технологий модифицирования структурно-фазового состояния и эксплуатационных свойств металлических материалов и выявление основных механизмов и закономерностей повреждения твердых тел при воздействии потоками высокотемпературной импульсной плазмы с плотностью мощности падающего потока до 10 Вт/см2 при длительности импульсов 10-60 мкс.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
-
Выявление закономерностей изменения микроструктуры материалов при воздействии потоками ВТИП в зависимости от вида материала, его исходного состояния и режимов плазменной обработки.
-
Исследование изменений структурно-фазового состояния и элементного состава приповерхностных слоев при воздействии потоками импульсной плазмы.
-
Оценка температурно-силовых полей, возникающих в металлических материалах при облучении потоками ВТИП.
-
Разработка физических механизмов модифицирования структурно-фазового состояния и свойств материалов при плазменном воздействии.
-
Определение степени изменения эксплуатационных свойств модифицирован-
ных материалов в зависимости от режимов плазменной обработки, вида материала и его исходного состояния; оптимизация режимов обработки для целенаправленной модификации свойств материалов.
-
Исследование возможности легирования металлов через жидкую фазу с использованием потоков ВТИП.
-
Установление характера, закономерностей и степени повреждаемости перспективных конструкционных и экранных материалов первой стенки ТЯР при воздействии потоками импульсной плазмы.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.
Разработаны физические основы модифицирования металлических материалов и изделий потоками высокотемпературной импульсной плазмы с удельной мощностью падающего потока 3 105—5 106 Вт/см2 при длительности импульсов 10-60 мкс.
Впервые выявлены основные закономерности изменения структурно-фазового состояния сталей различного назначения в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов плазменной обработки.
Впервые обнаружено, что при воздействии потоками высокотемпературной импульсной плазмы на металлические конструкционные материалы в приповерхностной области образуется модифицированный слой толщиной до 25 мкм, имеющий упорядоченігую субмикрокристаллическую столбчатую или дислокационную ячеистую структуры и обладающий повышенными физико-механическими свойствами.
Впервые проведены комплексные исследования и выявлены закономерности поверхностного упрочнения и изменения механических свойств металлических материалов в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов плазменной обработки.
Впервые установлено, что импульсная плазменная обработка низколегированных, углеродистых и коррозионно-стойких сталей приводит к повышению их коррозионной стойкости в разных агрессивных средах, включая потоки жидкого свинца, и изменяет механизм коррозии с межкристаллитного на фронтальный.
Впервые обнаружено, что предварительная импульсная плазменная обработка уменьшает радиационную эрозию и водородопроницаемость образцов металлических материалов при последующем ионном облучении.
Впервые проведено комплексное, всестороннее исследование эрозии широкого круга перспективных конструкционных и экранных материалов первой стенки ТЯР в условиях, приближенных к ожидаемым срывам тока плазмы,
при облучении в импульсных плазменных ускорителях (ИПУ) с использованием потоков водородной и дейтериевой высокотемпературной плазмы. Впервые исследована эрозия образцов интерметаллидных сплавов системы Ti-Al-V, полученных разными методами, и установлено, что образцы, полученные компактированием быстрозакаленных микрокристаллических порошков, обладают высокой стойкостью к эрозии, трещиностойкостью и стабильностью элементного состава приповерхностных слоев в условиях воздействия, имитирующего срывы плазмы.
Практическая значимость работы заключается, прежде всего, в том, что проведенные комплексные исследования и полученные результаты позволяют создавать новые экологически чистые и энергоэкономичные технологии целенаправленного изменения физико-механических и коррозионных свойств конструкционных и функциональных материалов разных классов и готовых изделий при их обработке потоками высокотемпературной импульсной плазмы. Выявленные основные закономерности изменения структурно-фазового состояния, поверхностного упрочнения, повышения коррозионной стойкости в разных средах и уменьшения радиационной эрозии металлических материалов, модифицированных потоками ВТИП, могут быть использованы при выборе оптимальных режимов обработки для повышения эксплуатационных характеристик изделий различного назначения. На основе полученных результатов установлены режимы обработки режущего инструмента (сверл, метчиков и др.), повышающие их ресурс в условиях заводских испытаний в 3-3,5 раза.
Полученные в работе результаты по изменению микроструктуры и фазового состава твердых тел, обнаруженный эффект дальнодействия при импульсной плазменной обработке представляют интерес для исследователей, занимающихся изучением фундаментальных проблем взаимодействия излучения с твердым телом. Выявлены основные закономерности радиационной эрозии перспективных конструкционных и экранных материалов первой стенки ТЯР, включая коррозионно-стойкие стали, сплавы на основе никеля, ванадия и вольфрама, углеграфи-товые материалы, материалы с покрытиями, литые и компактироваиные интер-металлидные сплавы системы Ti-Al-V в условиях, имитирующих срывы плазмы. Даны практические рекомендации о возможности использования исследованных материалов в ТЯР, предложены методы повышения их эрозионной и термостойкости с точки зрения воздействия на них срывов плазмы. Разработан способ уменьшения радиационной эрозии металлических материалов при ионном облучении путем их предварительной обработки потоками высокотемпературной импульсной плазмы, на который получено авторское свидетельство на изобретение.
Полученные результаты могут быть использованы для выбора материалов первой стенки термоядерного реактора ДЕМО и оценки их работоспособности и ресурса в условиях воздействия срывов тока плазмы.
Научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе в Московском инженерно-физическом институте в лекционных курсах и лабораторном практикуме по дисциплинам «Модифицирование материалов концентрированными потоками энергии и ионной имплантацией», «Специальные вопросы материаловедения ТЯР», а также при подготовке дипломных проектов. Основные положения, выносимые на защиту.
-
Основные закономерности изменения структурно-фазового состояния сталей разных классов и назначений в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов импульсной плазменной обработки.
-
Экспериментальные результаты по изменению микроструктуры приповерхностных слоев металлических материалов, обработанных потоками высокотемпературной импульсной газовой плазмы.
-
Экспериментальные результаты комплексных исследований и закономерности поверхностного упрочнения и изменения механических свойств металлических материалов в зависимости от их состава, исходного состояния и режимов плазменной обработки.
-
Экспериментальные результаты по влиянию импульсной плазменной обработки на коррозионную стойкость образцов низколегированных, углеродистых и коррозионно-стойких сталей и сплавов циркония в разных агрессивных средах, включая потоки жидкого свинца.
-
Физические модели формирования микро- или нанокристаллических упорядоченных ячеистых структур в приповерхностном слое металлических материалов в результате воздействия потоками высокотемпературной импульсной плазмы.
-
Качественные физические модели эффекта дальнодействия, уменьшения физического распыления при ионном облучении и повышения механических свойств металлических материалов в результате предварительного воздействия потоками импульсной плазмы.
-
Методика поверхностного жидкофазного легирования образцов, в том числе, фрагментов тонкостенных труб с использованием потоков ВТИП.
-
Экспериментальные результаты по определению коэффициентов и механизмов эрозии различных материалов при воздействии потоками импульсной плазмы в зависимости от плотности мощности падающего потока и числа импульсов облучения.
9. Результаты исследований влияния последовательного воздействия моно- и полиэнергетических пучков ионов гелия, водорода, аргона и импульсных потоков плазмы на топографию, радиационный блистеринг, физическое распыление и водородопроницаемость коррозионно-стойких сталей и никелевых сплавов.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается комплексным использованием современных методов исследований, тщательностью проведения экспериментов и оценкой величины погрешности проводимых измерений, экспериментальной проверкой теоретических предположений и физических моделей, сопоставлением с результатами других авторов, признанием полученных результатов на различных международных и отечественных конференциях.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих международных, всесоюзных, всероссийских и отраслевых конференциях и совещаниях:
II, III и IV Всес. конф. «Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом» (Москва, 1986; Сухуми, 1988; Фрунзе, 1990); зональной научно-техн. конф. «Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии» (Пенза, 1988); I, III, IV Всес. конф. «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1988, 1994, 1996); XV и XVI Бакурианской школе по радиационной физике металлов и сплавов (Бакуриани, 1988 и 1989); Всес. конф. «Ионно-лучевая модификация материалов» (Каунас, 1989); Всес. симпозиуме «Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела» (Ташкент, 1989); Всес. семинаре «Взаимодействие импульсных плазменных потоков с веществом» (Алма-Ата, 1989); X и XIII межд. конф. «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (Куйбышев, 1989; Самара, 1992); первом межд. совещ. стран СЭВ «Радиационная физика твердого тела» (Сочи, 1989); межд. конф. по радиационному материаловедению (Алушта, 1990); Всес. и II межд. конф. «Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов» (Ленинград, 1990; Санкт-Петербург, 1992); IV Всес. семинаре «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов (Петрозаводск, 1990); II и III межотраслевом совещ.; V—VIII, X, XI межнациональном и XII-XVI межд. совещ. «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1992, 1993; 1995-1998, 2000, 2001 и 2002-2006); Intern. Conf. «Evolution of Microstructure in Metals During Irradiation» (Chalk River, Canada, 1992); консультационном симпозиуме «Международное сотрудничество в области конверсионных технологий» (Санкт-Петербург, 1993); 6th, 7th and 8th
Intern. Conf. «Fusion reactor materials» (Stresa, Italy, 1993; Obninsk, Russia, 1995; Sendai, Japan, 1997); 11th Intern. Conf. «Plasma Surface Interections in Controlled Fusion Devices» (Mito, Japan, 1994); второй Московской межд. конф. по композитам (Москва, 1994); четвертой межотраслевой конф. по реакторному материаловедению (Димитровград, 1995); Fourth and Fifth Intern. Symposium on Fusion Nuclear Technology (Tokyo, Japan, 1997; Roma, Italy, 1999); Fourth Russian-Chinese Symposium «Advanced Materials and Processes» (Beijing, China, 1997); ежегодных научных сессиях МИФИ (Москва, 1998-2005); Annual Meeting on Nuclear Technology (Germany; Munich, 1998; Diisseldorf, 2004); первом, третьем, четвертом и шестом межд. Уральском семинаре «Радиационная, физика металлов и сплавов» (Снежинск, 1995, 1999, 2001, 2005); Annual meeting of Korea Institute of Surface Engineering (Seoul, Korea, 2000); lsl and 2nd Intern. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials (Tomsk, Russia, 2000 and 2006); шестой и седьмой Росс. конф. по реакторному материаловедению (Димитровград, 2000 и 2003); XV и XVI межд. конф. по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (Алушта, Украина, 2002 и 2004); 6th and 7th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2002, 2004); Russian (CIS) - Dutch Partnering Event on nanomateri-als, metals, alloys, coatings, industrial ceramics and polymers (Amsterdam, Netherlands, 2003); межд. семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VII)» (Обнинск, 2003); 12th Intern. Conf. on radiation physics and chemistry of inorganic materials (Tomsk, Russia, 2003); межд. конф. «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004» (Волгоград, 2004); France-Russia Seminar «New Achievements in Materials Science» (Nancy, France, 2004); 14th Intern. Conf. on Textures of Materials (Leuven, Belgium, 2005); 17th Intern. Conf. on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (Hefei Anhui, China, 2006).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 126 печатных работах, включая монографию, учебник для студентов высших учебных заведений, учебное пособие, 3 авторских свидетельства на изобретения, 34 статьи в рецензируемых научных отечественных и иностранных изданиях, 14 статей в трудах международных конференций и 25 статей в сборниках научных трудов и различных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 357 страницах, включая 169 рисунков, 65 таблиц и 380 наименований в списке литературы.
