Разработка технологий повышения эксплуатационных свойств циркониевых конструкционных элементов ядерных энергетических реакторов Б.В. Бушмин, В.С. Васильковский, Ю.В. Дубровский, Г.В. Дубинин, И.А. Хазов ФГУП «Красная Звезда», г. Москва, Россия А.Я. Колпаков Белгородский государственный университет, г. Белгород, Россия И.Н. Васильченко, С.Н. Кобелев, В.В. Макаров ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск, Россия

В ходе настоящей работы были: 1. Сформированы защитные покрытия на циркониевых изделиях по различным технологическим режимам 2. Исследованы коррозионные свойства и износостойкость защитных покрытий из хрома, хром-ниобий, хром+азот и нитрида титана на подложках из циркониевого сплава В качестве образцов использовали неоксидированные ячейки ЦДР из сплава Э110, изготовленные по штатной технологии.

Зависимости привесов циркониевых образцов (ячеек ЦДР) без покрытий и с покрытиями, выполненными по типовой технологии нанесения защитных покрытий

Оценка глубины травления Zr и Cr ионами Ar метод вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) Ток пучка первичных ионов аргона с энергией 2,5 кэВ составлял 0,35 А. 0,35 А = 0,35×6,25×1012 ионов/с = 2,19×1012 ионов/с. Коэффициент распыления Zr 1 атом/ион. Площадь распыления 1 мм 2 1×10 -2 см 2. Поток ионов аргона 2,19×1014 ионов/(см 2 с). За 1 минуту с площади 1 см 2 распыляется: 2,19×1014 ионов/(см 2 с) × 60 с × 1 1,31×1016 атомов Zr/см 2, Плотность Zr: 4,29×1022 атомов/см 3, поэтому за 1 минуту распыляется 0,31×10 -6 см 3,1×10 -9 м 3,1 нм. Коэффициент распыления Cr 2 атом/ион. За 1 минуту с площади 1 см 2 распыляется: 2,19×1014 ионов/(см 2 с) × 60 с × 2 2,63×1016 атомов Cr/см 2, Плотность Cr: 8,97×1022 атомов/см 3, поэтому за 1 минуту распыляется 0,29×10 -6 см 2,9× м 2,9 нм.

Диаграмма интенсивности сигнала кислорода (ВИМС)

Диаграмма интенсивности сигнала углерода (ВИМС)

Диаграмма интенсивности сигнала хрома (ВИМС)

Зависимости привесов циркониевых образцов (ячеек ЦДР) без покрытий и с покрытиями, выполненными по оптимизированной технологии нанесения защитных покрытий Рабочая среда – пар; Температура – 673К; Давление – 20,3 МПа; pH - 7 Концентрация кислорода – 0,005 – 0,007 % (масс).

Зависимость средних значений привесов циркониевых образцов (ячеек ЦДР) без покрытий и с покрытиями, выполненными по оптимизированной технологии нанесения защитных покрытий Рабочая среда – пар; Температура – 673К; Давление – 20,3 МПа; pH - 7 Концентрация кислорода – 0,005 – 0,007 % (масс).

Гистограмма длин лунок износа на циркониевых образцах без покрытия и с покрытиями (мм) Диаметр 11 мм; Скорость вращения диска 1200 об/мин; Путь трения 124,34 м; Нагрузка на диск составляла 20 г; Давление 16,4 г/мм 2 ; Температура 293К

Износ на непокрытом цирконии. (х30) Износ на подложке циркония с покрытием нитрида титана (х30) Износ на подложке циркония с покрытием хрома (х30) Нагрузка на диск – 200 г Количество проходов – 200 Скорость – 0,01 м/сек

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате работы экспериментально подтверждена возможность заметного повышения коррозионной стойкости и износостойкости циркониевых элементов путем формирования на их поверхности защитных вакуумных ионно-плазменных покрытий и апробированы соответствующие технологические режимы, прежде всего, очистки-внутрикамерной подготовки поверхности с защитой от повторного окисления. Основным направлением дальнейших исследований планируется выбор оптимального состава и структуры покрытия, а также дальнейшая оптимизация технологических режимов нанесения покрытий, обладающих эффективным сочетанием коррозионно-защитных свойств и износостойкости при сборке и в процессе эксплуатации, а также статистическое подтверждение полученных результатов в ходе испытаний в условиях коррозии и износа.

Авторы выражают глубокую признательность за ценные замечания и консультации при проведении работы и анализе ее результатов сотрудникам ФГУП ВНИИНМ им. А.А. Бочвара Конькову В.Ф. и Никулиной А.В.

Спасибо за внимание!