СОЗДАНИЕ ДИСПЕРСНО - УПРОЧНЕННЫХ ФЕРРИТНО - МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ СПАРК - ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ « МИФИ » Кафедра « Физические проблемы материаловедения » Лаборатория электромагнитных методов производства новых материалов 346 Богачев И. А., Чернов И. И., Стальцов М. С., Олевский Е. А., Калин Б. А. Итоговая конференция ФЦП " Кадры " Москва 2013 Работа выполнена в рамках Проекта ФЦП « Научные и научно - педагогические кадры инновационной России » на годы

LAB 346 ДУО-стали – перспективный материал энергонапряженной техники Достоинства дисперсно-упрочненных сталей в условиях эксплуатации в АЗ реактора: Высокая радиационная стойкость; Высокая значение жаропрочности за счет устойчивости упрочняющих частиц в матрице вплоть до 1300°С; Высокая прочность при достаточной пластичности. Кривые термической ползучести сталей ЭП-450 (1) и ЭП-450-ДУО (2) при 650 С и = 140 МПа. [В.С. Агеев и др., Вопр. ат. науки и техн., 2007] По данным Journal of Nuclear Materials за период с 2001 по 2012 гг. Технологии консолидации порошковых материалов: Горячая экструзия Горячее и холодное изостатическое прессование Динамическое и импульсное прессование Ультразвуковое прессование Электромагнитные методы прессования (магнитоимпульсное прессование, микроволновое спекание, спарк-плазменное спекание) Оптимальный способ производства дисперсно-упрочненных материалов – порошковая металлургия. Электромагнитные методы консолидации порошков – перспективный и эффективный метод получения ДУО сталей. Оптимальный способ производства дисперсно-упрочненных материалов – порошковая металлургия. Электромагнитные методы консолидации порошков – перспективный и эффективный метод получения ДУО сталей.

LAB 346 Описание процесса спарк-плазменного спекания Достоинства технологии SPS: Однородность свойств по объему спекаемых изделий Равномерность распределения упрочняющих частиц Минимальный рост зерна (по сравнению с традиционными методами) Контролируемость процесса in situ Высокая скорость процесса Характерные параметры установки: Давление до 6 тонн Максимальный ток 2,5 кА Напряжение до 10 В Максимальная температура спекания до 3000 К Давление в вакуумной камере до 0,1 Па

LAB 346 Механическое легирование Стадии процесса: Измельчение исходной стружки или гранул стали до мкм Добавление порошка наноразмерного оксида иттрия Дегазация и создание инертной атмосферы Механическое легирование в течение определенного периода времени Материал : ферритно - мартенситная сталь ЭП -450 (12 Х 13 М 2 БФР ) Исходное состояние : - порошок в виде шаров размерами от нескольких мкм до сотен мкм ( тип « Ш »); - порошок в виде чешуек ( тип « Ч »). Упрочнение : наноразмерные частицы Y 2 O 3 ( порошок, добавка 0,3-0,5 мас.%) Размол ( механическое легирование ): планетарная шаровая мельница Время легирования : 5, 15, 30, 40 и 50 ч

LAB 346 Морфология порошков после размола Размол 40 (а) и 50 (б) часов Энергодисперсионный анализ содержания элементов после 30 ч размола Fe Cr Y Время размола Исходное состояние 5 ч15 ч30 ч40 ч50 ч Средний размер частиц порошка, мкм

LAB 346 Режимы спарк-плазменного спекания Влияние температуры спекания и давления, а так же времени выдержки и скорости нагрева на конечную плотность изделий

LAB 346 Структура и размер зерна компактов Характерные размеры структурных элементов, мкм Агломераты Большая ось Малая ось Зерна 5-7 Межагломератная структура < 1 Характерная микроструктура спеченных образцов ДУО стали

Изготовление изделий сложной формы и масштабируемость Цилиндрические образцы с отверстием LAB 346 H 0, мм D 0, мм t, мм 25506,90,4 Основная цель – спекание трубчатых заготовок для получения особотонкостенных твэльных трубок реакторов на быстрых нейтронах Параметры твэлов реакторов БН -600 и БН -800 Смягчающий отжиг Прокатка/ волочение Готовое изделие D, d и Н – внешний и внутренний диаметры и высота заготовки соответственно; H 0, D 0, t – высота, диаметр и толщина твэльной трубки соответственно; Параметры образца H = 31,34 мм D = 30 мм d = 6,1 мм

Моделирование процесса спекания: распределение температуры LAB 346 Простой образецТрубчатый образец

Спарк - плазменное спекание порошков матричной стали и дисперсных упрочняющих оксидов может являться эффективным методом изготовления реакторных ДУО сталей. Морфология частиц порошка оказывает значительное влияние на размер зерна спеченных образцов и распределение дисперсных оксидов. Оптимизация стадии механического легирования позволяет получать более равномерное распределение упрочняющих частиц в матрице, большую плотность компактов и меньшую пористость. Оптимизация параметров спекания позволяет повысить конечную плотность изделий вследствие регулирования интенсивности протекающих при спекании процессов. Спарк - плазменное спекания ДУО сталей с последующей технологической обработкой может быть эффективным методом создания твэлов и других узлов и деталей реакторов на быстрых нейтронах, а так же ВВЭР - СКД. Заключение LAB 346 Thank you for attention!