Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана

Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Традиционные нерадиоактивные металлы, используемые более 50 лет в атомных энергетических установках, - это циркониевые сплавы (∋125, ∋225), коррозионно-стойкая сталь (08Х18Н10Т) и бористая сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф). Последняя, за счет содержания бора, обладает свойством поглощения тепловых нейтронов. В настоящее время из нее изготавливают шестигранные трубы для комплектации стеллажей свежего ядерного топлива и бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок.

Эта сталь получила широкое применение в атомном машиностроении, разработаны и утверждены ТУ 14-1-3689-83, ТУ 14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ 14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ 14-3-1630-89).

При этом до настоящего времени расходный коэффициент металла, от трубной заготовки до готового шестигранника, составляет более 400% (из четырех тонн круга получаем одну тонну готовой продукции). Это связано с низкими пластическими свойствами стали ЧС82 (δ₅≤10% при +20°С). В итоге в технологическом регламенте не предусмотрена холодная пластическая деформация труб из ст. ЧС82 вследствие склонности этого металла к возникновению макро- и микротрещин в режиме холодного передела. Также современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ВТ 1-0 (ГОСТ 19807-91: Титан и сплавы титановые деформируемые) следующего состава, вес.%:

углерод	0,03-0,07
железо	0,15-0,25
кремний	0,05-0,10
азот	0,010-0,030
алюминий	0,05-0,50
титан и примеси	остальное.

Этот сплав имеет применение в авиастроении, химическом машиностроении в силу малого удельного веса (4,5 г/см³), по сравнению с железо-хромовыми сплавами (7,85 г/см³), а также антикоррозионных свойств. Для увеличения прочностных свойств сплава на основе титана и его коррозионной стойкости при эксплуатации в соприкосновении с морской водой был разработан ФГУП «ПРОМЕТЕЙ» сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также на сегодня имеет опыт применения в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. и др. - «Вопросы материаловедения», 2009, №3 (59), с.172-187).

Однако переход от железо-хромового сплава к сплаву на основе титана ВТ1-0, включая добавление элементов алюминия (до 2,5%) и циркония (до 3%), в случае сплава ПТ7М, не решает проблему материала по поглощению тепловых нейтронов. В табл.1 на основании известных данных из справочника (Свойства элементов: Справ. Издание в 2 книгах / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003) представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов железа, хрома, титана, алюминия, циркония, бора.

Из табл.1 следует, что природный изотоп бора 10В в тысячи раз эффективнее поглощения тепловых нейтронов, чем перечисленные железо, хром, титан, алюминий и цирконий.

При этом здесь отметим, что изделия из сплава ВТ1-0 (например, бесшовные трубы - ГОСТ 22897-86) имеют более низкие прочностные свойства (σ_b≥343 МПа, σ₀₂≥245 МПа, δ₅≈0,24), по сравнению со сталью ЧС82 (σ_b≥441 МПа, σ₀₂≥245 МПа, δ₅≈0,1) и сплавом на основе титана ПТ7М (σ_b≥470 МПа, σ₀₂≥372 МПа, δ₅≈0,20). Известны изобретения (а.с. СССР №2016132, БИ №13, 15.07.94; а.с. СССР №1258868, БИ №16, 30.04.93; а.с. СССР №2020186, БИ №18, 30.09.94), где добавление в металлические сплавы элемента бора увеличивает их прочностные свойства, а также теплостойкость, износостойкость и ударную вязкость материала.

Задача настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами.

Поставленная задача достигается тем, что в известный сплав ВТ1-0 на основе титана добавляют элемент бор в следующем количестве, вес.%: 1,5-3,5.

Отличие предложенного сплава СПБ от прототипа ВТ1-0 заключается в том, что с добавлением в сплав ВТ1-0 на основе титана природной смеси изотопов бора 10В и 11В повышается на три порядка не только уровень поглощения тепловых нейтронов, но и прочностные свойства заявляемого сплава СПБ - сплав на основе титана с бором.

Диапазон содержания в сплаве СПБ бора обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 1,5% - сплав СПБ теряет устойчивость (по сплошности распределения бора) по захвату тепловых нейтронов, более 3,5% - резко снижаются пластические свойства сплава (δ₅<0,1).

Для получения сплавов на основе титана используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП) в вакуумных печах. В качестве основного сырья применяется губчатый титан (марки ТГ100, ТГ110) с содержанием титана (99,7-99,7)% согласно ГОСТ 17746-96. С целью равномерного распределения легирующих элементов в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава СПБ в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.

Пример получения сплава СПБ. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с природным технически чистым бором в соотношении: 1 кг (ТГ100)+0,02 кг (В), в общем объеме 20 кг и подается в экспериментальную установку (ЭЛП). После двойного переплава получаем слиток ⌀100 мм длиной 500 мм. После обточки и ротационной ковки слитка на диаметр 65 мм получим микроструктуру сплава СПБ с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.

В табл. 2 приведен химический состав полученного сплава СПБ, а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава СПБ при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании бора 1,7% и 2,3%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава ВТ1-0, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г. В-Салда), согласно ГОСТ 26492-85.

Как следует из табл.1-3, заявленный сплав СПБ имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, по сравнению с прототипом ВТ1-0, при этом имеет высокие прочностные свойства.

Таблица 1
Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов циркония, титана, железа, хрома, алюминия, бора (10-28 м)
№	Изотоп	Эфф. сечение	№	Изотоп	Эфф. сечение	№	Изотоп	Эфф. сечение
1	90 Zr	0,10-1,5	3	56Fe	2,43	5	27Аl	0,21
	91 Zr
	92 Zr
2	46 Ti	0,6-8,0	4	52Cr	3,10	6	10В	3838
	47 Ti						11В	757
	48 Ti

Таблица 2
Химический состав опытных плавок СПБ-1Б, СПБ-2 и прототипа ВТ1-0, вес (%)
№	СПЛАВ	В	С	Н2	Fe	O2	Si	N	Al	Ti	Примеси
1	СП-1	1,7	0,07	0,008	0,3	0,1	0,09	0,03	0,25	Осн.	0,30
2	СП-2	2,3	0,05	0,007	0,3	0,1	0,09	0,03	0,19	Осн.	0,27
3	ВТ1-0	-	0,05	0,005		0,1	0,09	0,03	0,20	Осн.	0,24

Таблица 3
Предел прочности (σb), предел текучести (σ02), относительное удлинение (δ5) и поглощение тепловых нейтронов (nρ·10-28 м2) для сплавов СП-1, СП-2, ВТ1-0
№	СПЛАВ	σb (МПа)	σ02 (МПа)	δ5 (%)	nρ
1	СП-1	570	395	21	21,3
2	СП-2	630	430	16	48,2
3	ВТ1-0	430	270	28	0,5

Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, содержащий углерод, железо, кремний, азот и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Углерод	0,03- 0,07
Железо	0,15-0,25
Кремний	0,05-0,10
Азот	0,010-0,030
Алюминий	0,05-0,50
Бор	1,5-3,5
Титан и примеси	остальное