Исследование физико-химических свойств малоактивируемых сплавов на основе системы ванадий-галлий для ядерной энергетики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

БОРОВИЦКАЯ Ирина Валерьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАЛОАКТИВИРУЕМЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ВАНАДИЙ-ГАЛЛИЙ ДЛЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Бондаренко Г.Г.,

доктор физико-математических наук Платов Ю.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Чернов Вячеслав Михайлович,

кандидат технических наук, Волков Николай Викторович

Ведущая организация: Научно-исследовательский

институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцина, г. Москва

Запила состоится « / » (ШХ^Л 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.060.01 в Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова Российской академии наук по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинский проспект, дом 49.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова Российской академии наук.

Автореферат разослан «Я(?» 2006 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор технических наук, профессор /а Блинов В.М.

/

"Жл^™

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего развития энергетики является создание реакторов термоядерного синтеза. Их принципиальное преимущество перед ядерными источниками энергии заключается в возможности свести к минимуму накопление долгоживущих радионуклидов и радиоактивных отходов за счет применения конструкционных материалов с ускоренным спадом наведенной радиоактивности. Использование таких малоактивируемых материалов не только облегчит эксплуатацию и повысит экологическую безопасность ядерных установок, но и снизит материальные затраты на переработку и захоронение радиоактивных отходов. В настоящее время разработан ряд проектов термоядерных реакторов (ТЯР), в которых, в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации, предполагается использовать различные классы металлических конструкционных материалов, а именно: аустенитные стали, стали ферритно-мартенситного и мартенситного классов и ванадиевые сплавы. В демонстрационных термоядерных реакторах (DEMO) для температур первой стенки ~600-700°С рассматривается вариант применения сплавов на основе ванадия в сочетании с литиевым теплоносителем. Преимущества этих сплавов связаны с лучшими, чем у сталей, активационными характеристиками, высокой термостойкостью, большей механической прочностью при 600-700°С, высокой радиационной стойкостью при температурах ~ 400-600°С и хорошей коррозионной стойкостью в жидком литии при 600-700°С.

Разработка сплавов ванадия для первой стенки ТЯР в настоящее время ведется, в основном, на базе системы V-Ti-Cr. В качестве наиболее перспективного сплава выбран состав V-4Ti-4Cr. Однако, наряду с рядом положительных эксплуатационных свойств, эти сплавы имеют и существенные недостатки, главный из которых - их практически полное охрупчивание при температурах облучения ниже 400°С. Кроме того, расчеты активируемости показали, что легирование титаном ухудшает активационные параметры сплавов, что обусловлено наработкой35Ar и 42Ат- элементов-трансмутантов с длительным периодом распада.

В качестве альтернативных материалов в ИМЕТ РАН, совместно с ГЕОХИ РАН, разрабатываются сплавы на основе системы V-Ga. Из всех оцененных в настоящее время гипотетически чистых металлических элементов скорость спада наведенной радиоактивности галлия после облучения в нейтронном спектре реактора DEMO наибольшая. Этот факт предопределяет, что и сплавы на основе системы V-Ga будут иметь более высокую скорость спада наведенной радиоактивности по сравнению со сплавами системы V-Ti-Cr.

Целью данной работы являлось исследование физико-химических свойств сплавов на основе системы V-Ga, в том числе сплавов, дополнительно легированных Cr, Si и Се, а также выработка рекомендаций для практического использования сплавов оптимальных составов в качестве конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи:

— изучение структуры и фазового состава исследуемых материалов, определение предела растворимости легирующих элементов и области существования твердых растворов;

— исследование зависимостей физических и механических свойств от состава сплавов двойных и тройных систем (УОа, У<5а-Се, У-ва-Сг, У-ва-БО в широком интервале температур;

— исследование коррозионной стойкости ванадий-галлиевых сплавов в литии;

— исследование изменения физических и механических свойств сплавов после их нейтронного облучения, а также при воздействии импульсов дейтериевой плазмы.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Проведены исследования физико-механических свойств (теплопроводности, модулей упругости, механических свойств при растяжении) сплавов систем У-Оа, У-ва-Сг, У-Оа-Се и У-Оа-Б! в широком интервале температур.

2. Определены активность, коэффициент активности и коэффициент диффузии галлия в сплаве при 1120°С. Установлено, что твердые растворы УОа имеют отрицательное отклонение от идеальности, что указывает на образование в них ближнего порядка с преимущественными связями между разнородными атомами.

3. Проведена оценка коррозионной стойкости в литии сплавов систем \ЧЗа, У-ва-Сг и У-Оа-Се, показавшая их высокую коррозионную стойкость в данном теплоносителе.

4. Изучено распухание ванадий-галлиевых сплавов после облучения в быстром реакторе БР-10 при температуре 400°С до нейтронного флюенса 4,24-1025 н/м2 (£>0,1 МэВ). Показано, что галлий уменьшает величину распухания ванадия. Определено влияние нейтронного облучения на изменение физико-механических характеристик исследуемых сплавов (теплопроводность, модуль Юнга, модуль сдвига).

5. Показано, что примеси внедрения в сплавах У-ва находятся в твердом растворе как в необлученном, так и в облученном состоянии, в то время как в сплавах У-Т> и У-П-Сг они связаны в химические соединения.

Практическая значимость результатов работы:

1. Определены активность, коэффициент активности и коэффициент диффузии галлия в ванадий-галлиевом сплаве при 1120°С.

2. На основании экспериментальных данных по нейтронному облучению установлено, что галлий подавляет процесс распухания ванадия.

3. При исследовании низкочастотного внутреннего трения ванадия и сплавов систем У-ва, У-ТС и У-П-Сг показано, что примеси кислорода и азота в сплавах системы У-ва находятся в твердом растворе как до, так и после облучения, в то время как в сплавах систем У-Т1 и У-ТьСг они связаны в химические соединения.

4. Полученные экспериментальные результаты по влиянию легирования галлием на физико-механические и коррозионные свойства сплавов ванадия могут быть использованы при разработке новых радиационно-стойких малоактивируемых материалов для атомной и термоядерной энергетики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований влияния галлия на структуру и физико-механические свойства ванадия.

2. Результаты исследования низкочастотного внутреннего трения сплавов систем V-Ga, V-Ga-Сг, V-Ga-Ce, V-Ti и V-П-Сг.

3. Результаты изучения коррозионной стойкости в литии сплавов на основе системы ванадий-галлий.

4. Результаты определения активности, коэффициента активности и коэффициента диффузии галлия в сплаве системы ванадий-галлий.

5. Результаты исследований влияния галлия на распухание ванадия.

6. Результаты определения влияния нейтронного облучения на теплопроводность и модули упругости сплавов ванадия.

7. Результаты изучения воздействия импульсов дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы ванадий-галлий-кремний.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы были доложены на VII и VIII Международных конференциях по материалам для термоядерной энергетики ICFRM (Обнинск, 1995 г.; Сендай, Япония, 1997 г.), VIII, IX, XI-XV Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1998, 1999, 2001-2005 г.), IV и VII Российско-китайских симпозиумах «Новые материалы и технологии» (Калуга, 1995г., Пекин, 2001 г.); 11-м Международном конгрессе по физике плазмы (Австралия, 2002 г.), 21-м Симпозиуме по физике плазмы и технологии (Чехословацкая Республика, 1417 июня 2004 г.), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (МГУ, 2002 г.).

Публикации:

По материалам диссертации опубликована 26 печатных работ.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы (128 наименования). Общий объем диссертации 131 страница, включая 37 рисунков и 14 таблиц.

Работа выполнена в сотрудничестве с ГНЦРФ Физико-энергетический институт им.А.И.Лейпунского, НПО «Красная Звезда», Физическим институтом им.П.Н.Лебедева РАН и Московским государственным институтом электроники и математики.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации - исследования и разработки малоактивируемых сплавов на основе системы V-Ga. Сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные направления разработки малоактивируемых конструкционных материалов для ТЯР, проведен анализ данных по активируемости различных элементов после их облучения в спектре термоядерного реактора DEMO. Из всех оцененных в настоящее время гипотетически чистых элементов наиболее быстрой скоростью спада наведенной активности обладают ванадий, галлий и хром. Проанализированы результаты исследований физико-механических свойств сплавов V-(4-5)Ti-(4-5)Cr, рассматриваемых в настоящее время в качестве наиболее перспективных конструкционных материалов первой стенки и бланкета ТЯР. Выявлены основные недостатки этих сплавов, ограничивающие их использование в качестве конструкционных материалов ТЯР, а именно: низкотемпературное радиационное охрупчивание, гелиевое охрупчивание, эффект ускорения радиационной ползучести, ухудшение активационных параметров при легировании титаном. Показано, что глубокая очистка ванадиевых сплавов от примесей внедрения, предлагаемая в качестве меры борьбы с низкотемпературным радиационным охрупчиванием, ухудшает другие свойства сплавов - высокотемпературную прочность, характеристики ползучести, в особо чистых ванадиевых сплавах наблюдается вакансионная пористость. Проанализированы исследования, ведущиеся в настоящее время за рубежом, по созданию сплавов на основе систем легирования (V-W, V-Y), альтернативных системе V-Ti-Cr, отмечены их достоинства и недостатки. На основании анализа литературных данных дано обоснование целесообразности разработки и исследования свойств сплавов на основе системы V-Ga, как альтернативных материалов сплавам системы V-Tl-Cr.

Таблица 1

Содержание легирующих элементов в исследуемых сплавах

№ Данные химического анализа, ах.% № Данные химического анализа, ат.%

Ga Се Cr | Si Ga Се Т Cr S

1 0,59 2 1,86 3 3,49 4 3,66 5 6,29 6 8,13 7 2,61 0,048 8 4,19 0,055 9 2,23 - 5,69 10 4,62 - 4,55 11 4,51 - 5,66 12 4,3 0,05 4,31 13 3,39 - - 0,62 14 3,61 - - 0,82 15 3,64 - - 1,21 16 3,44 - - 1,24

Во второй главе приведены составы исследуемых сплавов (табл. 1), методика их получения, дано описание используемых методов исследований.

В качестве дополнительных легирующих элементов сплавов системы \Ч5а в работе использовались Сг, который повышает прочность и жаропрочность сплавов, Б)', который также дополнительно упрочняет сплавы и Се, имеющий большое сродство к О и К который, как предполагалось, будет связывать азот при коррозионных испытаниях в литии, препятствуя его проникновению в сплав.

Сплавы выплавлялись в дуговой печи с вольфрамовым электродом на медном водоохлаждаемом поддоне в атмосфере химически чистого аргона. Для обеспечения однородности слитки переплавлялись 6-7 раз с перевертыванием слитка после каждой плавки. Горячая прокатка сплавов проводилась при 1100°С за 6 проходов с промежуточными подогревами; для предотвращения окисления при горячей прокатке сплавы были завернуты в пакеты из нержавеющей стали. Далее, после промежуточного отжига в вакууме при 900-1000°С, 1 час (для снятия напряжений), проводилась холодная прокатка сплавов на лист толщиной 1 мм. Проведенная обработка показала хорошую деформируемость сплавов при горячей и холодной деформации. Для проведения дальнейших исследований сплавы отжигались в вакуумной печи при 1000°С в течение 1 часа, что обеспечивало полную рекристаллизацию сплавов.

Теплопроводность сплавов рассчитывалась по данным измерений электросопротивления из соотношения Видемана-Франца:

ще Я.—коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); р—удельное электросопротивление, Ом м; Т— температура, К; Ь0 — постоянная Лоренца, Вт Ом/К2.

Измерение электросопротивления проводили в вакуумной установке потен-циометрическим методом при непрерывном нагреве со скоростью 2°С/мин в области температур 20-1000°С.

Измерение низкочастотного внутреннего трения и модулей упругости выполняли в вакуумной установке методом крутильного маятника в амплитудно-независимой области с частотой 3-5 с"' для изгибных и 12-16 с"1 для крутильных колебаний в области температур 20-600°С.

Исследование процесса испарения проводилось методом испарения с открытой поверхности (метод Лангмюра) в вакууме на установке термогравиметрического анализа. Кинетику испарения определяли по потере веса образца, с точностью 410"7 г. Нагрев образцов до температуры 1120 °С проводился с постоянной скоростью 10°/мин. Затем следовала выдержка при этой максимальной температуре в течение 90 мин с последующим охлаждением.

Коррозионные испытания в литии велись в статических изотермических условиях в ампулах из чистого ниобия при 700°С в течение 200 ч. Коррозионная стойкость исследованных сплавов оценивалась по изменению массы образцов, уровню их поверхностного насыщения примесями внедрения, изменению механических свойств и микроструктуры приповерхностного слоя. Степень

насыщения поверхностного слоя примесями внедрения определяли по характеру изменения микротвердости.

Распухание сплавов, облученных в реакторе БР-10 до нейтронного флюенса (4,24-1О25 м"2 (£>0,1 МэВ)) при температуре 400°С, определялось по изменению плотности сплавов, которая измерялась методом гидростатического взвешивания. Величина распухания 5рассчитывалась по соотношению:

5 = ^^-100%, <*а

где с/0 и с!-плотность сплавов соответственно до и после облучения.

Облучение ванадия и сплавов высокоскоростным потоком дейтериевой плазмы проводилось на установке "Плазменный фокус" Физического института РАН. Скорость плазменного потока составляла около 107 см/с, плотность плазмы -1018 см, плотность потока энергии на образце ~108 Вт/см2. Длительность плазменного импульса -100 не, время между отдельными импульсами — не менее 3 мин, количество импульсов - 10.

В третьей главе приведены данные анализа микроструктуры и фазового состава сплавов.

По данным рентгеноструктурных и микроструктурных исследований определена растворимость галлия в ванадии, которая при комнатной температуре составляет -5,5 ат.%. Выше этой концентрации параметр решетки не меняется, что характерно для двухфазной области, а в структуре, как по границам, так и в теле зерна, наблюдаются выделения вторых фаз.

Предельное содержание кремния в твердом растворе в сплавах ванадия с 3,4 - 3,6 ат.% галлия при комнатной температуре составляет -0,75 ат.%. При повышении содержания в сплавах кремния в структуре появляются выделения вторых фаз, причем они наблюдаются как в теле зерен, так и в отдельных местах по границам зерен. Наличие зернограничных выделений препятствует росту зерен в процессе отжига, что приводит к образованию участков с мелкозернистой структурой.

Четвертая глава состоит из четырех разделов и содержит результаты исследований физико-механических и коррозионных свойств ванадий-галлиевых сплавов.

В первом разделе приводятся результаты исследования механических свойств на растяжение сплавов при комнатной температуре и 600°С (что соответствует предполагаемой рабочей температуре). С увеличением содержания галлия прочностные свойства растут более чем в два раза (ств повышается с 263 МПа для чистого ванадия до 586 МПа для сплава ванадия с 8,13 ат.% ва) (рис.1). Это обусловлено как твердорастворным, так и дисперсионным упрочнением за счет выделения частиц второй фазы, наблюдающейся в микроструктуре этих сплавов. Все сплавы сохраняют достаточно высокий уровень пластичности (величина относительного удлинения не менее 17%). Дополнительное легирование церием практически

Рис.1. Влияние содержания галлия на прочностные свойства и пластичность сплавов системы У-ва, а также тройных сплавов, дополнительно легированных церием, хромом и кремнием. Для сравнения приведены данные по свойствам сплавов У-(4-5)Т1-(4-5)Сг. 1 - двойные сплавы У-ва; 2 - сплавы системы У-ва-Се; 3 - сплавы системы У-ва-Сг; 4 - сплавы системы У-Оа-81; 5 - У-4,81 П-4,82 Сг; 6 -У-4ТИ Сг[1].

не приводит к изменению прочности, а легирование хромом повышает ов на 100-150 МПа, причем этот эффект проявляется сильнее в области низкого содержания галлия. Кремний также дополнительно упрочняет сплавы, особенно когда его содержание выше предела растворимости в ванадии (по сравнению с двойными сплавами ств увеличивается на 100-150 МПа) при сохранении высокой пластичности (величина 8 не менее 21%). Сравнивая полученные данные со свойствами известных сплавов У-(4-5)И-(4-5)Сг, можно сказать, что сплавы с повышенным содержанием галлия (6-8 ат.%), в которых происходит совместное твердорастворное и дисперсионное упрочнение, а также однофазные тройные сплавы на основе диаграмм состояния У-ва-Сг и У-Оа-81 не уступают по своим прочностным свойствам указанным сплавам У-ТьСг, сохраняя при этом высокую пластичность (рис. 1).

Легирование галлием существенно упрочняет ванадий не только при комнатной, но и при повышенной (600°С) температурах (табл.2). В тройных сплавах можно отметить положительное влияние хрома и кремния. Наиболее значительное повышение величины ств и ст0>2 в сплаве, содержащем 1,24 ат.% Бь Это обусловлено дополнительным упрочнением за счет выделения второй фазы, как это было уже отмечено при испытаниях при комнатной температуре.

Сопоставление полученных значений механических свойств исследованных сплавов при 600°С с соответствующими данными для сплавов У-4И-4Сг показало, что они имеют близкие значения (табл.2).

Таблица 2

Механические свойства сплавов, испытанных на растяжение при 600°С

Состав сплава, ат.%

а0 2, МПа

ств, МПа

8.%

V

У-1,86Са У-3,660а

116 156 185 182 210,5 176 159 164 227 245

163 237 251 307 358 336 326 371 414 370-400

36.3

24.5 22,1

21.6 23,9 26,2 22,2

У-4,190а-0,055Се

У-4,5Юа-5,66Сг

У-3,39С$а-0,6281

У-3,6Юа-0,8281

У-3,640а-1,2181

У-3,44Са-1,2481

24,2 17,0-20,0

25,4

У-4П-4Сг(вес.%)[1]

Во втором разделе приведены результаты исследований температурной (20-900°С) и концентрационной зависимостей теплопроводности (к), модулей Юнга (Е) и сдвига (С) сплавов на основе системы \Юа. Эти свойства в значительной мере определяют уровень термических напряжений в первой стенке ТЯР, которая будет работать в условиях высоких тепловых нагрузок. Параллельно с модулями упругости исследовалось и внутреннее трение сплавов.

В температурном интервале от 20° до 900°С теплопроводность возрастает примерно в 2 раза, при температурах выше ~300°С зависимость близка к линейной. Легирование ванадия галлием приводит к снижению теплопроводности, наиболее существенному в области низких температур (рис.2). Добавки хрома и церия практически не влияют на теплопроводность. Все исследуемые ванадиевые сплавы имели более высокие значения теплопроводности, чем аустенитные нержавеющие стали.

Рис.2. Концентрационная зависимость теплопроводности сплавов У-ва.

0 2 4 6 8

Содержание ва, ат.%

Т»20'С

Л

Исследование температурной зависимости модулей Юнга и сдвига показали, что с повышением температуры наблюдается нелинейное снижение модулей. Отклонение от линейности (так называемый дефект модуля) наблюдается в области температур 200-300°С. Он связан с началом диффузионной подвижности примесных атомов внедрения. Дефект модуля наблюдается также на чистом ванадии, однако для сплавов систем У-Т1 и У-П-Сг характерно практически линейное снижение модулей с ростом температуры.

Легирование ванадия галлием до 4 ат.% приводит к повышению значений модулей £ и С (рис.3). Это говорит о том, что в твердом растворе галлия в ванадии силы связи растворенных атомов и атомов основы больше, чем в чистом металле. При дальнейшем повышении содержания галлия (до 6 ат.%) наблюдается небольшое снижение модулей. По-видимому, это связано с выделением избыточной фазы (как было показано ранее, она появляется как раз при -5,5 ат.% Оа). Дополнительное легирование церием и хромом приводит к небольшому понижению модулей.

Проведенные в работе исследования низкочастотного внутреннего трения V, сплавов У-ва и, для сравнения, сплавов У-П и У-ТьСг, позволили сделать некоторые заключения о состоянии примесей внедрения в этих сплавах. Как известно, в металлах с ОЦК-решеткой атомы внедрения вызывают релаксацию Снука, которая проявляется в виде пика на температурной зависимости внутреннего трения при определенной температуре и частоте колебаний. Высота пика Снука пропорциональна концентрации атомов внедрения в

7

6

<о

С

Ъ 5

Т»

4

3

щ13 11

0 2 4 6 8 Содержание ва, ат.%

Рис.3 Концентрационная зависимость модулей Юнга и сдвига сплавов У-Са при 20°Си600°С.

20°С

-----

о V-2.23Ga-5.e9Cr 600'С

- х у-4,19 Са-0,05Се

* \М,51 6а-5,66Сг > • 1

20°С

\ 600'С

Г 600°С

твердом растворе и меняется при выходе примесей из твердого раствора на выделения, дислокации и другие дефекты. На температурной зависимости низкочастотного внутреннего трения чистого ванадия и сплавов системы \ЧЗа при температурах 225-250 и 300°С наблюдаются два максимума, соответствующих релаксации атомов кислорода и азота в решетке ванадия по механизму Снука (рис.4а). Это говорит о том, что примеси внедрения в этих сплавах не связаны, а находятся в твердом растворе. Легирование сплавов церием приводит к снижению высоты максимумов внутреннего трения, что свидетельствует о частичном связывании им примесей внедрения.

По другому влияет легирование титаном: на сплавах с 10 и 20 ат.% "П кислородный и азотный пики исчезают, а в области более высоких температур наблюдаются размытые широкие пики, связанные, во-видимому, с формированием сложных соединений с участием титана и атомов внедрения (рис.4б). Аналогичная картина имеет место и на тройных сплавах У-ТьСг, в частности, на сплаве У-5Т1-5Сг. При содержании Т1 30 ат.% на температурной зависимости внутреннего трения появляются два широких релаксационных пика. Первый из них близок к кислородному пику чистого ванадия и обусловлен, вероятно, частичным выходом кислорода из соединений в твердый раствор.

Такой характер температурной зависимости внутреннего трения в сплавах У-ва и У-Т1 хорошо согласуется с имеющимися в литературе тройными диаграммами состояния У-Ме-0 (рис.5). Видно, что растворимость кислорода в ванадии резко снижается при введении титана, причем минимальную

8

"о 4

СО

1" 0 I 8

I

4

0

8 *в

1 1°

I ё4 1

й- г о

I ¡8

|4

- V~4.19Ga-0.05Ce

А У-6,29Са

.У 1 1 \ ■ ■ ■

■ ■ \ЛЗ,4!ХЗа

д Ванадий

- А ~V___

/'•I .' 1 1 1 ■ Т ■

100 200

300 400 Т, 'С

500 600

Рис.4. Температурная зависимость логарифмического декремента затухания амплитуды колебаний сплавов систем У-ва, У-Т1 и У-Т1-Сг.

Рис.5. Фазовые равновесия в ванадиевом углу систем У-ва-О и У-П-О.

растворимость кислорода имеют именно сплавы с 10-20 ат.% Л. С дальнейшим повышением содержания титана растворимость кислорода возрастает. В противоположность этому, введение галлия расширяет область существования твердых растворов и при исследуемых концентрациях кислород находится в твердом растворе.

Сопоставляя результаты механических испытаний с приведенными выше данными по внутреннему трению, можно сказать, что в сплавах системы У-И помимо твердорастворного упрочнения заметную роль играет упрочнение оксидной или оксинитридной фазой, которая затрудняет движение дислокаций. Особенно это сказывается при повышенных температурах (600°С). Но, с другой стороны, эта фаза может вносить значительный вклад в радиационное охрупчивание. Таким образом, есть основания полагать, что сплавы У-ва будут меньше подвержены радиационному охрупчиванию при низких температурах облучения, чем сплавы У-П-Сг.

В третьем разделе приведены результаты исследования процесса испарения в вакууме сплава У-3,66 ат.%Са как одного из представителей данной системы. Максимальная температура исследования испарения (1120°С) была заведомо выше максимальных рабочих температур (600-700°С).

Масса образца чистого ванадия в процессе эксперимента оставалась неизменной. В образце сплава до температуры 1000°С также не происходит

600 800 1000 1200 «•с

У? ~1,4)0-,г/смг с

-3-10"* г/см2 с

20 40 60 ВО 100 Время выдержки, мин

Рис.6. Удельное изменение массы (Лот/5) образца сплава У-З.ббва при его нагреве от 20°С до 1120°С и выдержке при 1120°С в течение 90 мин.

кашпо-либо существенного изменения массы (рис.6а). Небольшие отклонения в ту или иную сторону связаны с испарением газовых примесей внедрения и атомов, адсорбированных на поверхности образца. Начиная с температуры 1000°С, происходит заметное уменьшение массы образца сплава У-З.ббба. Учитывая то, что в чистом ванадии изменения массы не происходит, а также тот факт, что давление пара галлия существенно превышает давление пара ванадия, можно сделать вывод, что из сплава У-3,660а при температурах, превышающих 1000°С, происходит испарение только галлия.

В процессе выдержки при 1120°С масса образца ванадия уменьшается по параболическому закону (рис.66). Это говорит о том, что процесс испарения летучего компонента (галлия) контролируется его диффузией к поверхности.

При этом за время выдержки плотность потока испарения Оа из сплава <7^ (производная удельного изменения массы по времени) снижается примерно в два раза (с ~3 ■ 10"8 г/(см2 с) в начале выдержки до ~1,4-10"8 г/(см2с) в юнце). Для сравнения, по имеющимся литературным данным, плотность потока испарения марганца из аустенитной хромомарганцевой стали ЭП-838 при 1100°С и хрома из аустенитной хромоникелевой стали 316 при 1150°С составляет соответственно (3-4)-10"7 г/(см2 с) и (2,6-2,8)-10"7 г/(см2 с), т.е. на порядок величины выше, чем галлия из ванадиевого сплава при 1120°С. При этом следует подчеркнуть, что рабочие температуры всех этих кандидатных конструкционных материалов значительно ниже 1000°С.

Из полученных данных можно оценить давление пара галлия над сплавом и активность галлия в сплаве:

плотность потока испарения галлия из сплава, г/(см2 с); М— молекулярный вес; Т— температура, К; а—коэффициент конденсации, учитывающий разницу в определении скоростей испарения методом Лангмюра и равновесным методом Кнудсена. Обычно при качественном определении давления пара а~1.

Для плотности потока испарения галлия Чтi =3 10"8 г/(см2 с) давление пара

галлия над сплавом /¿¡Ц =2,3 • 10"6 Topp. Сопоставляя это значение с давлением пара чистого галлия при этой же температуре (4,26-10"2 Topp), можно приблизительно определить активность а^ и коэффициент активности/галлия в сплаве при данной температуре:

iGa _ Чат ¡2nRT

г08 —

гспл

-> яСа ~Я(Г\

/-fa.; /-ю-3,

cCia

где P0" — давление пара чистого галлия, Topp; с^ — весовая доля галлия в сплаве.

Приведенные результаты показывают, что твердый раствор V-3,66Ga имеет отрицательное отклонение от закона Рауля (или отрицательное отклонение от идеальности) и склонен к ближнему упорядочению. При этом сила связи между атомами ванадия и галлия больше, чем сила связи между атомами матрицы (ванадия). Эти данные хорошо согласуются с повышением модуля упругости в области твердых растворов. В связи с этим можно отметить, что изменение механических свойств твердых растворов V-Ga определяется как твердо-растворным упрочнением, так и упрочнением, связанным с образованием ближнего порядка.

Результаты эксперимента позволяюттакже оценить коэффициент диффузии D галлия в данном сплаве при температуре 1120°С. Его можно вычислить из соотношения:

где И0—исходная концентрация галлия в сплаве, г/см3; к—константа скорости испарения (тангенс угла наклона прямой в координатах (Ат2/5?) - х); Ат — изменение массы образца, г; 5 — площадь поверхности образца, см2; х — время выдержки при заданной температуре, с.

Вычисленное значение £)=1,810"п см2/с. Для сравнения, коэффициент самодиффузии чистого ванадия при температуре И 00 °С на 1-2 порядка ниже и составляет, по разным данным, Ъу=10",3-10"" см2/с.

Четвертый раздел содержит результаты исследования коррозионной стойкости ванадий-галлиевых сплавов в жидком литии. Коррозионные испытания проводились в статических изотермических условиях в ампулах из чистого ниобия при 700°С в течение 200 ч. Результаты исследования коррозионных свойств приведены в табл.3.

После выдержки в литии почти все образцы сплавов имели небольшой положительный привес в пределах 0,45-0,5 мг/см2. Это показывает, что данные сплавы практически не подвержены растворению в литии. Степень насыщения поверхностного слоя примесями внедрения определяли по характеру изменения микротвердости. По кривым изменения микротвердости по поперечному сечению определяли следующие характеристики: /0—глубину проникновения примесей внедрения в сплав, равную расстоянию от поверхности образца до точки, в которой микротвердость на 200 МПа (максимальная погрешность измерения) больше, чем в центре {Н^), т.е. в зоне, не подверженной воздействию лития; /4ооо — расстояние от поверхности образца до точки, в которой микротвердость не превышает 4000 МПа. Эта величина характеризует зону

Таблица 3

Коррозионные свойства сплавов \ЧЗа, выдержанных в литии при 700°С в течение 200 ч

Состав сплава, ат°/о Привес, мг/см2 /0, мкм и "цпое ^4000-

МПа

V-l,86Ga 0,50 22 2300 2000 1300

V-3,49Ga 0,50 14 3000 2100 1600 -

V-6,29Ga 0,49 10 4250 2250 2100 2

V-2,61 Ga-0,048Ce 0,45 12 2550 1600 1300

V-4,19Ga-0,055Ce 0,49 9 3000 2000 2300 -

V-4,51Ga-5,66Cr 0,46 18 3800 3500 2200 -

охрупчивания и косвенно определяет глубину поверхностных трещин. Определяли также значение микротвердости на расстоянии 10 мкм от поверхности (Ям)0) и на поверхности образцов (Дщ0в)-

Легирование ванадия галлием (1,86-6,29 ат.%Оа) приводит к значительному снижению величины зоны поверхностного насыщения примесями внедрения до 10-22 мкм по сравнению с чистым ванадием, имеющем зону в пределах 70-100 мкм. Дополнительное легирование церием несколько понижает протяженность зоны поверхностного насыщения, в то время как хром не оказывает положительного влияния.

Для образцов сплавов, выдержанных в литии, характерно некоторое повышение микротвердости на поверхности и в довольно узкой приповерхностной зоне, причем для большинства сплавов микротвердость на расстоянии 10 мкм от поверхности близка к ее исходному значению. По данным ряда работ, касающихся коррозии в литии сплавов V-Ti-Cr, повышение микротвердости в основном обусловлено насыщением образцов примесями азота, содержащимися в литии. Наряду с этим происходит перенос примесей кислорода в противоположном направлении - из сплава в литий. Эти процессы определяются коэффициентами равновесного распределения примесей внедрения в системе жидкий металл - сплав. Поскольку коэффициент равновесного распределения кислорода в системе жидкий литий - ванадий (сплав) значительно меньше единицы, ванадий будет отдавать кислород литию. В то же время, коэффициент равновесного распределения азота в этой системе значительно превышает единицу и он будет поглощаться сплавом. Азот, диффундирующий в сплав, реагирует как с ванадием, так и с легирующими элементами, что приводит к образованию шпридных и, вероятно, оксинитридных пленок, имеющих высокую микротвердость. Образование на поверхности образцов подобных пленок, судя по полученным данным, препятствует дальнейшему проникновению примесей внедрения в приповерхностные слои образца, поэтому уже на глубине 10-20 мкм микротвердость всех исследованных сплавов близка к исходной.

После коррозионных испытаний все образцы оставались пластичными -имели угол загиба 180°. Образование мелких поверхностных трещин

наблюдалось только на образцах сплавов с повышенной микротвердостью поверхностного слоя, т.е. на сплаве У-6,290а и сплаве, дополнительно легированном хромом (У-4,51 Са-5,66Сг).

Таким образом, проведенные исследования показали, что сплавы на основе системы У-ва обладают достаточно хорошей коррозионной стойкостью в литии.

В пятой главе приведены результаты исследований изменения физических и механических свойств сплавов после их нейтронного облучения и воздействия импульсов дейтериевой плазмы.

В первом разделе пятой главы приведены результаты исследования влияния нейтронного облучения на распухание, теплопроводность, модули Юнга и сдвига сплавов систем У-Са, У-ва-Се и У-Оа-Сг. Наряду с этим, методом измерения низкочастотного внутреннего трения исследовалось состояние примесей внедрения в облученных сплавах. Параллельно с ванадий-галлиевыми сплавами облучался и исследовался сплав У-5Ть5Сг, что дало возможность проводить сравнение свойств разрабатываемых и известного сплавов.

Облучение проводилось в быстром реакторе БР-10 до нейтронного флюенса (4,24-102* м"2 (ЕХ), 1 МэВ)) при температуре 400°С.

Экспериментальные данные показали, что легирование галлием снижает распухание ванадия: для сплавов величина распухания составляет < 0,3%, в то время как для чистого ванадия оно составило 1,36% (табл.4). Особенно низкий уровень распухания у малолегированного сплава У-1,86 ат.%Са - всего 0,069%, для сплава У-6,29 ат.%Оа - 0,28%, т.е. примерно как у У-5"П-5Сг.

Таблица4

Распухание сплавов после облучение в реакторе БР-10 при 400°С до флюенса 4,24-1025 м"2 (£>0,1 МэВ)

Состав сплава, ат.%

Распухание, %

Ванадий -1,36

У-1,86 (За -0,069

У-6,29 ва -0,28

У-4,19 Са-0,05 Се -0,157

У-4,51 (}а-5,66Сг +0,25

У-5Т1-5Сг -ОД

Анализируя эффект подавления распухания при легировании ванадия галлием, можно, во-первых, отметить положительное влияние дилатационного фактора: атомы галлия по отношению к ванадию надразмерные (их атомные радиусы соответственно г(3а=0,167 нм и /у=0,149 нм) и, в соответствии с существующими представлениями, не образуют стабильные смешанные гантельные конфигурации межузельных атомов, которые, обладая большей подвижностью, чем вакансии, способствуют неравновесной сегрегации атомов подразмерных элементов у стоков (в данном случае на порах). Такие сегрегации подразмерных атомов стимулируют дополнительный поток вакансий к

поверхности пор, что приводит к их росту. Дополнительным фактором, объясняющим влияние галлия на распухание, является то, что, по имеющимся литературным данным, он ускоряет диффузионную подвижность вакансий в сплавах У-ва. Это согласуется с полученными в работе данными по коэффициенту диффузии галлия в сплавах - он выше, чем коэффициент самодиффузии ванадия. Наличие в сплавах быстродиффувдирующей примеси повышает эффективный коэффициент диффузии вакансий. В результате усиления диффузионной подвижности вакансий, вакансионное пересыщение в облученной системе уменьшается, а энергия образования зародышей пор увеличивается, подавляя, в целом, процессы порообразования и распухания. Помимо этого, увеличение диффузионной подвижности вакансий усиливает взаимную рекомбинацию точечных дефектов, что также способствует подавлению процессов порообразования и распухания.

Изменение теплопроводности при облучении определяли для двух сплавов системы У-ва (V-1,86 ат.% С»а и У-4,19 ат.% 0а-0,05 ат.% Се) и для сплава У-5П-5Сг. Обнаружено, что ни в одном случае не происходит существенного снижения теплопроводности, а для сплавов У-1,86 Оа и У-5Т1-5Сг значения А, в необлученном и облученном состоянии примерно одинаковы (рис.7). Данный вывод можно сделать для всего исследуемого температурного интервала (от 20 до 900°С).

Более заметно облучение снижает модули упругости исследуемых материалов (температурную зависимость модулей Е п (3 после облучения определяли для нелегированного ванадия и сплавов У-6,29С»а, У-2,61 <За-0,05Се, У-4,5 Юа-5,66Сг и У-5Ть5Сг). Так, модули Е и б облученного чистого ванадия снижаются на 5% и 3% соответственно. Легирование галлием и церием ведет к более заметному снижению Е и (7-на 9-10%; наименьшее влияние нейтронного

36

32

28

24

¿Г (иоО

20 У —•—У-1,86(5а (обл.)

{ —Ь—\М,19<За-0,05Св (мех.)

16 Л? —А— V-4.19Ga-0.0SCe (обл}

^¿г —о— у-5Гк5Сг (исаО

12 ¡Р — ■—'У-5П-5Сг (овяО

■ 1111

О 200 400 600 800 1000 Температура, *С

Рис.7. Темперапурная зависимость теплопроводности сплавов У-1,86 ат.% Ста, У-4,19 ат.% 6а-0,05 ат.% Се и У-5Т1-5Сг до и после облучения в реакторе БР-10 при 400°С до флюенса 4.24-1025 м"2 (Е>0,1 МэВ).

облучения на модули упругости наблюдается в тройных сплавах, легированных совместно ва и Сг (£ снижается на 2%, О на 0,5%).

Общий вид температурной зависимости модулей £ и С для облученных и необлученных сплавов практически одинаков. Как и в исходных сплавах, при температурах 200 - 350°С в сплавах УОа наблюдается дефект модуля, связанный с миграцией примесных атомов внедрения, в образцах У-5Ть5Сг дефект модуля в области низких температур отсутствует. Такой характер температурной зависимости упругих свойств свидетельствует о том, что как в необлученном, так и в облученном состоянии примеси внедрения в сплавах \ЧЗа находятся в твердом растворе, а в сплаве У-5Ть5Сг в связанном состоянии, вероятно в соединении с таким химически активным элементом, как титан. Это подтверждается наличием релаксационных пиков Снука на температурной зависимости внутреннего трения в облученных сплавах У-ба (рис. 8) и отсутствием их в облученном сплаве У-5Ть5Сг. Следует отметить, что по имеющимся в литературе данным, в облученных ОЦК-металлах (монокристаллах V, №>, Мо) кислородные и азотные пики, присутствующие до облучения, после облучения либо полностью исчезают (кислородный пик), либо значительно уменьшается их величина (азотный пик), что связывается с выходом атомов примесей из позиций внедрения на радиационные дефекты. В нашем же случае, на сплавах У-ва снижения высоты кислородного и азотного пика после облучения не наблюдается.

В табл.5 приведены значения теплопроводности и модулей Еий сплавов системы У-йа и сплава У-5Ть5Сг при 600°С в исходном и облученном состоянии.

Рис.8. Температурная зависимость логарифмического декремента затухания амплитуды колебаний сплавов систем У-Са и У-ТьСг до и после облучения в реакторе БР-10.

8

\М,51 ва-5,в6 Сг

0 200 400 600 Т,'С

Таблица 5

Значения теплопроводности и модулей упругости сплавов систем У-ва и У-П-Сг при 600°С в исходном и облученном состоянии

Состав сплава, ат.% исходный облученный

X, Вт/м К £,-10'° Па 0,ЮШ Па X, Вт/м-К £,Ю10 Па £,Ю'°Па

У-1,86 Оа 29,5 _ . 29,5 - _

У-6Д9 Оа 24,13 13,6 5,4 - 12,1 4,9

V—2,61 0а-0,05 Се - 12,9 5,1 - 11,55 4,5

У-4,19 ба-0,05 Се 25,3 13,5 5,2 24,4 - -

У-4,51 Оа-5,66 Сг 25,65 13,5 5,3 - 13,0 5,2

У-5Т'1-5Сг 31,9 13,4 5,2 31,8 13,2 5,1

Из таблицы видно, что облучение исследованных сплавов систем У-ва и У-П-Сг по выбранному режиму практически не приводит к изменению их теплопроводности и незначительно влияет на упругие свойства, как одни из основных характеристик, определяющих уровень термических напряжений в материале.

Во вторам разделе пятой главы рассматриваются изменения, происходящие в ванадии и двух его сплавах (У-3,39 ат.% Оа-О,62 ат.% Б! и У-3,61 ат.% Са-0,82 ат.% БО при воздействии высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы.

Под действием импульсной плазмы образцы пластически деформировались (величина прогиба, в зависимости от исходной толщины образцов, составляла до 0,3 мм). На поверхности зоны воздействия плазмы выявляются границы зерен, видны отдельные микротрещины и мелкие поры. О прохождении ударных волн через объем материала можно судить по микрокумулятивным эффектам, которые могут возникнуть на обратной стороне образца за счет диссипации волны сжатия. В процессе облучения в результате распространения ударных волн происходит откалывание микрочастиц ванадия со стороны, противоположной воздействию дейтериевой плазмы и на поверхности ванадия и сплавов при микроскопическом исследовании видны ямки и кратеры. Частицы ванадия, вылетевшие со стороны, противоположной воздействию плазмы, были зафиксированы на полированной кремниевой пластине, помещенной за облучаемым образцом (наличие частиц ванадия на ней было подтверждено с помощью рентгеновского микроанализатора). Кроме того, в отдельных зернах на обратной стороне тонких образцов наблюдаются полосы скольжения, свидетельствующие о протекании пластической деформации.

При исследовании поперечного сечения по всей толщине образцов были обнаружены поры. Их концентрация максимальна у облучаемой поверхности с последующим неравномерным уменьшением с толщиной. При воздействии импульсной дейтериевой плазмы происходит увеличение микротвердости поверхностных слоев ванадия (примерно в два раза) и, в несколько меньшей степени, упрочнение в объеме образцов.

При изохрональном отжиге облученных плазмой образцов в вакуумной установке термогравиметрического анализа зафиксировано уменьшение их

массы, связанное с выделением «инжектированного» импульсной плазмой дейтерия, что подтверждается данными масспектрометрического анализа паровой фазы. Температура, при которой начинается выделение дейтерия близка к температуре разложения соединения У20 (135°С).

Выполненные исследования показывают, что воздействие высокотемпературной высокоплотной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий приводит к сверхглубокому проникновению дейтерия в его объем, на глубину больше 0,2 мм. Эта глубина существенно превышает ту, которая наблюдалась бы при диффузии дейтерия по обычному межузельному механизму или же при имплантации ионов дейтерия из импульсной плазмы. Из этого следует, что сверхглубокое проникновение дейтерия связано с возникновением ударных волн. На фронте ударной волны движется большое число дислокаций, и сверхглубокое проникновение дейтерия может происходить благодаря его диффузии по трубкам дислокаций. Как известно, при встрече дислокаций, движущихся по пересекающимся плоскостям скольжения, на них образуются пороги (в том числе на винтовых дислокациях); движение таких дислокаций с порогами приводит к образованию за порогами точечных дефектов - вакансий и межузельных атомов. Вакансии, коагулируя, могут захватывать газовые атомы дейтерия и образовывать микропоры, которые мы видим в структуре образцов.

Выводы

1. Проведены всесторонние исследования свойств (механических свойств при растяжении, теплопроводности, модулей упругости, распухания, коррозионной стойкости в литии) сплавов на основе систем \ЧЗа, У-ва-Се, \МЗа-Сг,\МЗа-81

2. Определены значения предельной растворимости галлия в сплавах системы У-Оъ и кремния в сплавах системы У-ва-Б! при комнатной температуре. Эти значения составляют соответственно 5,5 ат.% ва и 0,75 ат.% вь

3. Показано, что легирование галлием существенно улучшает механические свойства ванадия как при комнатной, так и при повышенной (600°С) температурах. Увеличение предела текучести составляет 2,4 раза, предела прочности 2,2 раза при комнатной температуре и соответственно 1,9 раза и 2,5 раза при 600°С, при незначительном падении пластичности (не более 20% при комнатной температуре и не более 30% при 600°С). Установлено, что в исследуемых сплавах эффективными являются как твердорастворный механизм упрочнения, так и дополнительное упрочнение выделениями избыточных фаз. Сплавы с повышенным содержанием галлия (6-8 ат.%), а также тройные сплавы У-ва-Сг и У-Са-Б» не уступают по своим механическим свойствам сплавам УЧ4-5)ТК4-5)Сг.

4. При исследовании физико-механических свойств (теплопроводности, модуля Юнга, модуля сдвига) сплавов У-Са в широком интервале температур, показано, что данные сплавы обладают высокой теплопроводностью (при 600°С Х~(24-29) Вт/м К), а модули Юнга и сдвига у них близки к соответствующим

значениям для сплавов У{4-5)ТН4-5)Сг (при600°С £=13-1410'° Па, <>(5,2-5,5)• Ю10 Па для сплавов \МЗа и £= 13,4- Ю10 Па, 6=5,2-1010 Па для сплава У-5Т1-5Сг).

5. При исследовании низкочастотного внутреннего трения ванадия и сплавов систем У-ва, У-П и У-Л-Сг обнаружено, что примеси кислорода и азота в ванадии и сплавах системы У-Оа находятся в твердом растворе, в то время как в сплавах систем У-П и У-ТЧ-Сг они связаны в химические соединения.

6. Методом термогравиметрического анализа установлено, что испарение галлия из сплава У-3,66 ат.% йа начинается с температуры ~1000°С, что значительно выше предполагаемых рабочих температур исследуемых сплавов в термоядерном реакторе (600-700°С). Экспериментально определены активность и коэффициент активности галлия в сплаве У-3,66 ат.%Са при температуре 1120°С. Установлено, что твердые растворы У-ва имеют отрицательное отклонение от идеальности, что указывает на образование в них ближнего порядка с преимущественными связями между разнородными атомами. Определен коэффициент диффузии галлия в сплаве У-3,66 ат.%Са при температуре 1120°С (0=1,810'" смус, что на порядок величины выше, чем коэффициент самодиффузии ванадия при этой температуре).

7. Проведена оценка коррозионная стойкость в литии сплавов систем У-ва, У-ва-Сг, У-Оа-Се. Экспериментально показано, что все исследуемые сплавы практически не подвержены растворению в литии в статических изотермических условиях при температуре 700°С. Обнаружено, что легирование галлием существенно сокращает глубину проникновения примеси азота из лития в сплавы. Длительные испытания в среде лития (200 часов) не приводят к охрупчиванию сплавов.

8. При облучении ванадия и сплавов У-(1,86-6,29) ат.% ва, У-4,51 ат.% Оа-5,66 ат.% Ст и У-4,19 ат.% Са-0,05 ат.% Се в быстром реакторе БР-10 при температуре 400°С до нейтронного флюенса 4,24-1025 м"2 (Е>0,1 МэВ) установлено, что легирование галлием снижает величину распухания ванадия до уровня не превышающего 0,3%. При этом облучение не приводит к заметному снижению теплопроводности исследуемых сплавов, снижение модулей Юнга и сдвига не превышает 10%. При сравнительных экспериментальных исследованиях ванадий-галлиевых сплавов и кандидатного сплава У-5Ть5Сг показано, что нейтронное облучение в реакторе БР-10 оказывает практически одинаковое воздействие на степень изменения их физико-механических характеристик (X, Е, О).

9. При облучении ванадия и сплавов У-3,39Са-0,62151 и У-3,6Ша-0,828! высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмой показано, что следствием воздействия импульсной плазмы является образование ударных волн, распространение которых приводит к изменению микротвердости по глубине образцов ванадия и его сплавов. Обнаружено сверхглубокое проникновение дейтерия в ванадий и сплав, приводящее к изменению их механических свойств и образованию пор. Установлено, что отдельные частицы ванадия кумулятивно выбрасываются с необлученной стороны тонкой мишени.

10. По исследуемому комплексу свойств сплавы У-3,39Сга-0,628! и У-4,5 Юа-5,66Сг могут быть рекомендованы для использования в качестве конструкци-

онных материалов термоядерных реакторов при условии дальнейшего

всестороннего исследования их устойчивости к радиационным, термомеханическим, усталостным , коррозионным и другим воздействиям.

Цитируемая литература:

1. Вотинов С.Н., Дедюрин А.И., Иванов Л.И., Альтовский И.В., Григорьян A.A., Евтихин В.А., Люблинский И.Е., Вертков A.B. Ванадиевые сплавы как конструкционный материал термоядерных реакторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. Вып.2. 2000 г. С.3-12.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Иванов Л.И., Дедюрин А.И., Савватеев H.H., Боровицкая И.В. Перспективы применения сплавов системы ванадий-галлий в термоядерной энергетике. Перспективные материалы. 1995. №5. С.37-40.

2. Дедюрин А.И., Захарова М.И., Боровицкая И.В. Влияние легирования на теплопроводность сплавов ванадия. Металлы. 1995. №5. С.135-138.

3. Дедюрин А.И., Захарова М.И., Боровицкая И.В., Артемов H.A. Влияние легирования на модули упругости сплавов ванадия. Металлы. 1996. №5. с.146-152.

4. Дедюрин А.И., Боровицкая И.В., Захарова М.И., Артемов H.A. Влияние легирования на теплопроводность и упругие свойства сплавов системы VGa. Металлы. 1997. №3. С. 145-149.

5. Ivanov L.I., Platov Yu.M., Dediurin A.I., Borovitskaia I.V., Lazorenko V.M., Sawateev N.N., Sidorova V.V., Zakharova M.I., Artemov N.A. V-Ga-based alloys as candidate materials for fusion reactor application. Journal of Nuclear Materials. 19%. V. 233-237. P. 395-399.

6. Колотое В.П., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В., Саватеев H.H. Исследование содержания примесных элементов в ванадии. Физика и химия обработки материалов. 1997. №1. С. 120-122.

7. Дедюрин А.И., Люблинский И.Е., Боровицкая И.В. Коррозионная стойкость в литии сплавов системы V-Ga. Металлы. 1998 г. №3. С.71-74.

8. Dediurin A.I., Platov Yu.M., Zakharova M.I., Borovitskaja I.V., Artemov N.A. Effect of neutron irradiation on swelling, elastic modulus and thermal conductivity of V-Ga alloys Journal of Nuclear Materials. 1998. V.258-263.P. 1409-1413.

9. Бондаренко Г.Г., Дедюрин А.И., Покровский A.C., Боровицкая И.В. Влияние нейтронного облучения на механические свойства сплавов ванадия. Металлы. 1998.Ш.С.84-86.

10. Бондаренко Г.Г., Дедюрин А.И., Захарова М.И., Боровицкая И.В., Артемов H.A. Влияние нейтронного облучения на распухание, теплопроводность и модули упругости сплава V-5Ti-5Cr. Труды VIII Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 29 июня - 4 июля 1998 г. М., 1998. С. 413-419.

11. Апарина Н.П., Боровицкая И.В., Васильев В.И., Гусева М.И., Дедюрин А.И., Мансурова А.Н., Струнников В.М. Взаимодействие импульсной водородной плазмы с поверхностью ванадия и ряда его сплавов. Металлы. №2, 2000, С.112-114.

12. Апарина Н.П., Боровицкая И.В., Васильев В.И., Гусева М.И., Дедюрин А.И., Мансурова А.Н., Симаков С.В., Струнников В.М. Изменение микротвердости ванадия и его сплавов под действием облучения потоками водородной плазмы. Металлы. 2000 г. №5. С.

13. Захарова М.И., Боровицкая И.В., Дедюрин А.И., Иванов Л.И., Платов Ю.М. Влияние облучения быстрыми нейтронами на радиационное упрочнение ванадий-галпиевых сплавов Физика и химия обработки материалов. 2001 г. №2.С.95-96.

14. Вотинов С.Н., Бондаренко Г.Г., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В. Исследование механических свойств ванадий-титановых сплавов, выплавленных на основе алюмотермического и электролитического ванадия. Металлы, 2001 г. №3. С.65-69.

15. Иванов Л.И., Петров B.C., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В. Испарение элементов из малоактивируемого сплава V-3,66 aT.%Ga. Перспективные материалы. 2001 г. №2. С.37-39.

16. Borovitskaya I.V., Dedurin A.I., Ivanov L.I., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Tikhomirov A.A., Fedotov A.S. Effect of the high-temperature pulse deuterium plasma on the surface structure of vanadium and its physical-mechanical characteristics. Proc.of thel 1-th Int.Congress on Plasma Physics, Australia, 2002.

17. Ivanov L.I., Dedurin A.I., Borovitskaya I. V., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Polukhin S.N., Tikhomirov A.A., Fedotov A.S. Application of plasma focus installations for a study of the influence of deuterium cumulative flows on materials Proc. Of Int.Conference on frontiers of physics and technology, Bangalore, India, 2002.

18. Ivanov L.I., Dedurin A.I., Borovitskaya I.V., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Polukhin S.N., Tikhomirov A.A., Fedotov A.S. Plasma focus installations as a tool for study of the interaction of high power plasma streams with condensed matter. Problems of atomic science and technology, 2002, N5. Series: Plasma phycics (8). P.83-85.

19. Боровицкая И.В., Дедюрин А.И., Иванов Л.И., Крохин О.Н., Никулин В.Я., Тихомиров А.А. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтери-евой плазмы на ванадий. Перспективные материалы. 2003 г. №2. С.10-15.

20. Апарина Н.П., Боровицкая И.В., Васильева В.И., Гусева М.И., Данелян Л.С., Дедюрин А.И., Затекин В.В., Л.И.Иванов, В.С.Куликаускас, А.Н.Мансурова,

B.М.Струнников. Воздействие импульсной дейтериевой плазмы на поверхность ванадия и сплава V-4Ga. Перспективные материалы, №4,2003 г.

C.55-61.

21. Ivanov L.I., Dedurin A.I., Borovitskaya I.V., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Polukhin S.N., Tikhomirov A.A., Fedotov A.S.. Application of plasma focus installations for a study of the influence of deuterium cumulative flows on materials. Journal of physics Indian Academy of Sciences. Vol.61, N6, December 2003. P. 1179-1185.

22. Боровицкая И.В., Дедюрин А.И., Иванов Л.И., Крохин О.Н., Никулин В.Я., Петров B.C., Тихомиров А.А.. Изменение объемных свойств ванадия под воздействием высокотемпературной плотной импульсной дейтериевой плазмы. Перспективные материалы, №2, 2004 г. С.44-48.

23. Иванов Л.И., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В., Крохин О.Н., Ншдошн В.Я., Тихомиров А.А., Суворов А.Л., Чеблуюв Ю.Н., Козадаев М.А.. Сгрумура свободной поверхности ванадия после ударного воздействия импульсной вы-

сокогемпературной плазмы. Перспективные материалы. №3, 2004 г. С.31-34.

24. Borovitskaya I.V., Ivanov L.I., Dedyurin A.I., Gurei A.E., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Polukhin S.N., Tikhomirov A.A., Cheblukov Yu.N., Kozadaev M.A., Petrov V.S., Suvorov A.L . Changes of internal properties of its surface under the effect of pulsed high-temperature deuterium plasma. 21 Symposium on plasma Physics and technology. Prague, Czech. Republic, June 14-17,2004. Czechoslovak Journal of Physics. Vol.54,2004, C.303-308.

25. Иванов Л.И., Платов Ю.М., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В., Люблинский И.Е„ Вертков А.В., Колотое В.П. Исследование малоактивируемых сплавов для ядерной энергетики на основе диаграммы состояния V-Ga-Si. Перспективные материалы. 2005, №1, с.31-37.

26. Л.И.Иванов, А.И.Дедюрин, И.В.Боровицкая, О.Н.Крохин, В.Я.Никулин, А.А.Тихомиров, В.С.Петров. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на сплавы системы V-Ga-Si. Перспективные материалы. №1,2006 г. С.36-42.

Подписано в печать 10.04.2006. Заказ № 32. Тираж 100 экз. Объем 1 пл. Отпечатано в ООО «Интерконтакт наука», Москва, Ленинский пр. 49.

¿O0M-

8 6 2 6

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор литературы

1.1. Основные направления разработки малоактивируемых конструкционных материалов

1.2. Механические и физические свойства необлученных сплавов системы V-Ti-Cr.

1.3. Влияние примесей внедрения на свойства ванадиевых сплавов

1.4. Влияние облучения на микроструктуру и механические свойства сплавов системы V-Ti-Cr

1.5. Распухание ванадиевых сплавов

1.6. Термическая и радиационная ползучесть ванадиевых сплавов

1.7. Коррозионная стойкость ванадиевых сплавов в литии.

1.8. Влияние гелия на свойства ванадиевых сплавов

1.9. Малоактивируемые сплавы, альтернативные сплаву V-4Cr-4Ti

1.10. Основные сведения о ванадии и легирующих элементах в исследуемых сплавах

1.11. Обоснование целесообразности разработки сплавов на основе системы V-Ga как материалов, альтернативных сплавам на основе системы V-Ti-Cr.

Глава 2. Методика проведения исследований

Глава 3. Микроструктура и фазовый состав сплавов

3.1. Металлографические и рентгеноструктурные исследования сплавов систем V-Ga, V-Ga-Cr(Ce), V-Ga-Si.

3.2. Металлографические и рентгеноструктурные исследования сплавов системы V-Ga-Si.

Глава 4. Свойства исследуемых сплавов без облучения.

4.1. Механические свойства исследуемых сплавов при растяжении.

4.1.1. Механические свойства при комнатной температуре.

4.1.2. Механические свойства сплавов при повышенных температурах

4.2. Влияние легирования на теплопроводность и упругие свойства сплавов V-Ga.:.

4.3. Исследование процесса испарения ванадия и сплава V-3,66Ga.

4.4. Коррозионная стойкость в литии сплавов системы V-Ga.

Глава 5. Влияние нейтронного облучения и высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы V-Ga

5.1. Влияние облучения быстрыми нейтронами на свойства сплавов систем V-Ga, V-Ga-Ce, V-Ga-Cr

5.2. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы V-Ga-Si.

5.2.1. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на нелегированный ванадий.

5.2.2. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на сплавы системы V-Ga-Si

Выводы.

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего развития энергетики является создание реакторов термоядерного синтеза. Их принципиальное преимущество перед ядерными источниками энергии заключается в возможности свести к минимуму накопление долгоживущих радионуклидов и радиоактивных отходов за счет применения конструкционных материалов с ускоренным спадом наведенной радиоактивности. Использование таких малоактивируемых материалов не только облегчит эксплуатацию и повысит экологическую безопасность ядерных установок, но и снизит материальные затраты на переработку и захоронение радиоактивных отходов.

В общем случае конструкционные сплавы для термоядерных реакторов (ТЯР) должны обладать, помимо ускоренного спада наведенной радиоактивности, определенным комплексом механических свойств как в необлученном, так и в облученном состоянии, высокой термостойкостью, хорошей совместимостью с теплоносителем, высоким сопротивлением распуханию, хорошей технологичностью.

В настоящее время разработан ряд проектов термоядерных реакторов, в которых, в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации, предполагается использовать различные классы металлических конструкционных материалов, а именно: аустенитные стали, стали ферритно-мартенситного и мартенситного классов и ванадиевые сплавы [1, 2]. В демонстрационных термоядерных реакторах (DEMO) для температур первой стенки ~600-700°С рассматривается вариант применения сплавов на основе ванадия в сочетании с литиевым теплоносителем. Преимущества этих сплавов связаны с лучшими, чем у сталей, активационными характеристиками, высокой термостойкостью, большей механической прочностью при 600-700°С, высокой радиационной стойкостью при температурах - 400-600°С и хорошей коррозионной стойкостью в жидком литии при 600-700°С.

Разработка сплавов ванадия для первой стенки ТЛР в настоящее время ведется, в основном, на базе системы V-Ti-Cr. В качестве наиболее перспективного сплава выбран состав V-4Ti-4Cr [3-5]. Однако, наряду с рядом положительных эксплуатационных свойств, эти сплавы имеют и существенные недостатки, главный из которых - их практически полное охрупчивание при температурах облучения ниже 400°С даже при относительно низких нейтронных флюенсах s5-1021 см"2 [6-8]. Кроме того, расчеты активируемости показали, что легирование титаном ухудшает активационные параметры сплавов, что обусловлено наработкой 39Аг и 42Аг -элементов-трансмутантов с длительным периодом распада [9].

В качестве альтернативных материалов в Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН, совместно с ГЕОХИ РАН, разрабатываются сплавы на основе системы V-Ga. Из всех оцененных в настоящее время гипотетически чистых металлических элементов скорость спада наведенной радиоактивности галлия после облучения в нейтронном спектре реактора DEMO наибольшая [10]. Этот факт предопределяет, что и сплавы на основе системы V-Ga будут иметь более высокую скорость спада наведенной радиоактивности по сравнению со сплавами системы V-Ti-Сг. Исследование свойств сплавов системы ванадий-галлий и было предметом данной работы. В качестве дополнительных легирующих элементов в работе использовались Сг, который повышает прочность и жаропрочность сплавов, Si, который также дополнительно упрочняет сплавы и Се, имеющий большое сродство к О и N, который, как предполагалось, будет связывать азот при коррозионных испытаниях в литии, препятствуя его проникновению в сплав.

Целью настоящей работы являлось установление закономерностей поведения сплавов системы V-Ga под действием внешних факторов: механических нагрузок, температуры, облучения нейтронами и импульсами высокотемпературной плазмы, а также выработка рекомендаций для практического использования сплавов оптимальных составов в качестве конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи: • изучение структуры и фазового состава исследуемых материалов, определение предела растворимости легирующих элементов и области существования твердых растворов;

• исследование зависимостей физических и механических свойств от состава сплавов двойных и тройных систем (V-Ga, V-Ga-Si, V-Ga-Ce, V-Ga-Cr) в широком интервале температур;

• исследование коррозионной стойкости ванадий-галлиевых сплавов в литии;

• исследование изменения физических и механических свойств сплавов после их нейтронного облучения, а также при воздействии импульсов дейтериевой плазмы.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые проведены исследования физико-механических свойств (теплопроводности, модулей упругости, механических свойств при растяжении) сплавов систем V-Ga, V-Ga-Si и V-Ga-Cr в широком интервале температур.

2. При проведении исследований процесса испарения галлия из ванадий-галлиевого сплава, определены активность, коэффициент активности и коэффициент диффузии галлия в сплаве при 1120°С. Установлено, что твердые растворы V-Ga имеют отрицательное отклонение от идеальности, что указывает на образование в них ближнего порядка с преимущественными связями между разнородными атомами.

3. Впервые проведена оценка коррозионной стойкости в литии сплавов систем VGa, V-Ga-Cr и V-Ga-Ce.

4. Изучено распухание ванадий-галлиевых сплавов после облучения в быстром реакторе БР-10 при температуре 400°С до нейтронного флюенса 4,24-1025 н/м2 (£>0,1 МэВ). Определено влияние нейтронного облучения на изменение физико-механических характеристик исследуемых сплавов (теплопроводность, модуль Юнга, модуль сдвига).

5. Показано, что примеси внедрения в сплавах V-Ga находятся в твердом растворе как в необлученном, так и в облученном состоянии, в то время как в сплавах V-Ti и V-Ti-Cr они связаны в химические соединения.

6. При облучении ванадия и сплавов системы V-Ga-Si импульсной дейтериевой плазмой обнаружено сверхглубокое проникновение дейтерия в ванадий и сплав, приводящее к изменению их механических свойств и образованию пор; установлено, что часть частиц ванадия при ударном импульсном воздействии кумулятивно выбрасывается с необлученной стороны мишени. Практическая значимость результатов работы:

1. При исследовании низкочастотного внутреннего трения ванадия и сплавов систем V-Ga, V-Ti и V-Ti-Cr впервые показано, что примеси кислорода и азота в сплавах системы V-Ga находятся в твердом растворе как до, так и после облучения, в то время как в сплавах систем V-Ti и V-Ti-Cr они связаны в химические соединения.

2. Определены активность, коэффициент активности и коэффициент диффузии галлия в ванадий-галлиевом сплаве при 1120°С.

3. На основании экспериментальных данных по нейтронному облучению установлено, что галлий подавляет процесс распухания ванадия.

4. Полученные экспериментальные результаты по влиянию легирования галлием на физико-механические и коррозионные свойства сплавов ванадия могут быть использованы при разработке новых радиационно-стойких малоактивируемых материалов для атомной и термоядерной энергетики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований влияния галлия на структуру и физико-механические свойства ванадия.

2. Результаты исследования низкочастотного внутреннего трения сплавов систем V-Ga, V-Ga-Cr, V-Ga-Ce, V-Ti и V-Ti-Cr.

3. Результаты определения активности, коэффициента активности и коэффициента диффузии сплава ванадий-галлий.

4. Результаты изучения коррозионной стойкости в литии сплавов системы ванадий-галлий.

5. Результаты исследований влияния галлия на распухание ванадия.

6. Результаты определения влияния нейтронного облучения на теплопроводность и модули упругости сплавов ванадия.

7. Результаты изучения воздействия импульсов дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы ванадий-галлий-кремний.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы были доложены на VII и VIII Международных конференциях по материалам для термоядерной энергетики ICFRM (1995 г., 1997 г.), VIII, IX, XI-XV Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1998, 1999, 2001-2005 г.), IV и VII Российско-китайских симпозиумах «Новые материалы и технологии» (Калуга, 1995г., Пекин,

2001 г.); 11-м Международном конгрессе по физике плазмы (Австралия, 2002 г.), 21-м Симпозиуме по физике плазмы и технологии (Чехословацкая Республика, 14-17 июня 2004 г.), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (МГУ,

2002 г.). Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ. Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы (128 наименований). Общий объем диссертации 131 страница, включая 37 рисунков и 14 таблиц.

выводы

1. На основании проведенных исследований малоактивируемых сплавов двойных и тройных систем (V-Ga, V-Ga-Cr и V-Ga-Si) установлены закономерности их поведения под действием внешних факторов: механических нагрузок, температуры, облучения нейтронами и импульсами высокотемпературной плазмы.

2. С помощью методов рентгеноструктурного и микроструктурного анализов впервые получены значения предельной растворимости галлия в сплавах системы VGa и кремния в сплавах системы V-Ga-Si при комнатной температуре. Эти значения составляют соответственно 5,5 ат.% Ga и 0,75 ат.% Si.

3. Показано, что легирование галлием существенно улучшает механические свойства ванадия как при комнатной, так и при повышенной (600°С) температурах. Увеличение предела текучести составляет 2,4 раза, предела прочности 2,2 раза при комнатной температуре и соответственно 1,9 раза и 2,5 раза при 600°С, при незначительном падении пластичности (не более 20% при комнатной температуре и не более 30% при 600°С). Установлены механизмы упрочнения сплавов при легировании галлием. Показано, что эффективными барьерами для движущихся дислокаций являются обнаруженные при микроструктурных исследованиях выделения избыточных фаз; в малолегированных же сплавах эффективным является твердорастворный механизм упрочнения сплавов. Сплавы с повышенным содержанием галлия (6-8 ат.%), а также однофазные тройные сплавы V-Ga-Cr и V-Ga-Si не уступают по своим механическим свойствам сплавам V - (4-5)Ti - (4-5)Сг.

4. При исследовании физико-механических свойств (теплопроводности, модуля Юнга, модуля сдвига) сплавов V-Ga в широком интервале температур (20°-600°С для Е и G и 20°-900°С для X), показано, что данные сплавы обладают высокой теплопроводностью (при 600°С к ~ (24-29) Вт/м-К), а модули Юнга и сдвига у них близки к соответствующим значениям для сплавов V-(4-5)Ti-(4-5)Cr (при 600°С £=(13-14)-Ю10 Па, G=(5,2-5,5)-1010 Па для сплавов V-Ga и £=13,4-1010 Па, G=5,2-1010 Па для сплава V-5Ti-5Cr).

5. При исследовании низкочастотного внутреннего трения ванадия и сплавов систем V-Ga, V-Ti и V-Ti-Cr обнаружено, что примеси кислорода и азота в ванадии и сплавах системы V-Ga находятся в твердом растворе, в то время как в сплавах систем V-Ti и V-Ti-Cr они связаны в химические соединения.

6. Методом термогравиметрического анализа исследован процесс испарения в вакууме сплава V-3,66 ат.% Ga. Установлено, что испарение галлия из данного сплава начинается с температуры ~1000°С, что значительно выше предполагаемых рабочих температур этих сплавов в термоядерном реакторе (600-700°С). Экспериментально определены активность и коэффициент активности галлия в сплаве V-3,66 aT.%Ga при температуре 1120°С (аса=5,4-10"5, /=10*3 соответственно); отрицательное отклонение твердых растворов V-Ga от идеальности указывает на образование в них ближнего порядка с преимущественной связью между разнородными атомами. Экспериментально определен коэффициент диффузии галлия в сплаве V-3,66 aT.%Ga при температуре 1120°С (D = 1,8-Ю"11 см2/с, что на порядок величины выше, чем коэффициент самодиффузии ванадия при этой температуре).

7. Проведена оценка коррозионная стойкость в литии сплавов систем V-Ga, V-Ga-Сг, V-Ga-Ce. Экспериментально показано, что все исследуемые сплавы практически не подвержены растворению в литии в статических изотермических условиях при температуре 700°С. С помощью дюраметрических измерений обнаружено, что легирование галлием существенно сокращает глубину проникновения примеси азота из лития в сплавы. При испытаниях на изгиб установлено, что длительные испытания в среде лития (200 часов) не приводят к охрупчиванию сплавов.

8. При облучении ванадия и сплавов V-(l,86-6,29) ат.% Ga, V—4,51 ат.% Ga-5,66 ат.% Сг и V-4,19 ат.% Ga-0,05 ат.% Се в быстром реакторе БР-10 при температуре лг ^

400°С до нейтронного флюенса 4,24*10 н/м (£>0,1 МэВ) установлено, что легирование галлием снижает величину распухания ванадия до уровня не превышающего 0,3%. Проведен анализ полученных результатов в рамках соответствующих модельных представлений. При этом облучение не приводит к заметному снижению теплопроводности исследуемых сплавов, снижение модулей Юнга и сдвига не превышает 10%. При сравнительных экспериментальных исследованиях ванадий-галлиевых сплавов и кандидатного сплава V-5Ti-5Cr показано, что нейтронное облучение в реакторе БР-10 оказывает практически одинаковое воздействие на степень изменения их физико-механических характеристик (X, E,G).

9. При облучении ванадия и сплавов V-3,39Ga-0,62Si и V-3,61Ga-0,82Si высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмой (плотность потока энергии о на образце 10 Вт/см , 10 импульсов длительностью 100 не каждый) показано, что следствием воздействия импульсной плазмы является образование ударных волн, распространение которых приводит к изменению объемных свойств ванадия и его сплавов. Обнаружено сверхглубокое проникновение дейтерия в ванадий и сплав, приводящее к изменению их механических свойств и образованию пор. Установлено, что отдельные частицы ванадия кумулятивно выбрасывается с необлученной стороны тонкой мишени.

10. По исследуемому комплексу свойств сплавы V-3,39Ga-0,62Si и V-4,5 lGa-5,66Cr могут быть рекомендованы для использования в качестве конструкционных материалов термоядерных реакторов при условии дальнейшего всестороннего исследования их устойчивости к радиационным, термомеханическим, усталостным , коррозионным и другим воздействиям.

1. Solonin M.I., Chernov V.M., Gorokhov V.A., Ioltukhovskiy A.G., Shikov A.K., Blokhin A.I. Present status and ftiture prospect of the Russian program for fusion low-activation materials // Journal of Nuclear Materials. 2000. V.283-287. P. 1468-1472.

2. Solonin M. I. Materials science problems of blankets in Russian concept of fusion reactor// Journal of Nuclear Materials. 1998. V.258-263. P. 30-46.

3. T. Muroga, T. Nagasaka, K. Abe, V. M. Chernov, H. Matsui, D. L. Smith, Z. -Y. Xu and S. J. Zinkle Vanadium alloys overview and recent results // Journal of Nuclear Materials, 2002, v. 307-311. P. 547-554.

4. Kurtz R. J., Abe K., Chernov V. M., Hoelzer D. Т., Matsui H., Muroga Т., Odette G. R. Recent progress on development of vanadium alloys for fusion // Journal of Nuclear Materials 2004, v. 329-333. P. 47-55.

5. Alexander D.J., Snead L.L., Zinkle S.J., Gubbi N.A., Rowcliff A.E., Bloom E.E. Effect of irradiation at low temperature on V-4Cr-4Ti // Fusion Materials. Report DOE/ER-0313/20, 1996, p.87-95.

6. Kazakov V.A., Chakin V.P., Goncharenko Yu.D. Tensile properties and fracture behaviour of V-Cr-Ti alloys after neutron irradiation at 330°C // Journal of Nuclear Materials. 1998. V.253-263. P.1492-1496.

7. Tsai H., Bray T.S., Matsui H., Grossbeck M.L., Fukumoto K., Gazda J., Billone V.C., Smith D.L. Effects of low-temperature neutron irradiation on mechanical properties of vanadium-base alloys // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P.362-366.

8. Forty C.B.A., Forrest R.A., Compton D.J., Rayner C. Handbook of Fusion Activation Data // AEA Technology, 1992.

9. Иванов JI.И., Платов Ю.М. Радиационная физика металлов и ее приложения // М.: Интерконтакт Наука. 2002. 300 с.

10. Платов Ю.М. Малоактивируемые конструкционные материалы для реакторов термоядерного синтеза // Учебно-методическое пособие. М. «Интерконтакт Наука». 1999 г. 25 с.

11. Иванов В.В., Колотов В.П., Атрашкевич В.В., Платов Ю.М. Препринт ГЕОХИ. 1991. №134. 33 с.

12. Cheng Е.Т. Concentration limit of natural elements in low activation fusion materials // Journal of Nuclear Materials. 1998. V. 258-263. P.1767-1772.

13. Wu Y., Muroga Т., Huang Q., Chen Y., Nagasaka Т., Sagara A. Effects of impurities on low activation characteristics of V-4Cr—4Ti alloy // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 1026-1030.

14. Huang Q., Zheng S., Chen Y., Li J. Activation analysis of structural materials irradiated by fusion and fission neutrons // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311.P.1031-1036.

15. Иванов Л.И., Платов Ю.М., Демина E.B. Перспективы применения хромо-марганцевых сталей в термоядерной энергетике // Перспективные материалы, 1995, №2, с.37-43.

16. Лякишев Н.П., Иванов Л.И., Колотов В.П., Саватеев Н.Н., Давыдов В.В. Ванадий как основа для создания малоактивируемых конструкционных материалов // Перспективные материалы, 1995, №6, с.43-48.

17. Аленина М.В., Иванов Л.И., Колотов В.П., Платов Ю.М. Использование изотопно-обогащенных элементов для создания конструкционныхмалоактивируемых материалов для термоядерных реакторов // Физика и химия обработки материалов. 1998. №4, с.67-74.

18. Smith D. L., Chung Н. М., Loomis В. A., Tsai Н. С. Reference vanadium alloy V-4Cr-4Ti for fusion application // Journal of Nuclear Materials. 1996. V. 233-237. P. 356-363.

19. Loomis B.A., Hull A.B., Smith D.L. Evaluation of low-activation vanadium alloys for use as structural material in fusion reactors // Journal of Nuclear Materials. 1991. V.179-181. P. 148-154.

20. Votinov S.N., Solonin M.I., Kazennov Yu.A. et al. Prospects and problems of using vanadium alloys as a structural material of the first wall and blanket of fusion reactor // Journal of Nuclear Materials. 1996. V. 233-237, P.370-376.

21. Harrot D.L., Gold R.E. Technical properties of vanadium-base alloys // International Metals Review. 1980. №4. P.l63-221.

22. Heo N. J., Nagasaka Т., Muroga Т., Matsui H. Effect of impurity levels on precipitation behavior in the low-activation V-4Cr-4Ti alloys // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 620-624.

23. Hayashi Т., Fukumoto K., Matsui H. Study of point defect behavior in V-Ti alloys using HVEM // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 951-955.

24. Watanabe H., Suda M., Muroga Т., Yoshida N. Oxide formation of a purified V-4Cr-4Ti alloy during heat treatment and ion irradiation // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 408-411.

25. Chang H.M., Loomis B.A., Smith D.L. In Fufion Reactor Materials: Semiannual Progress Report: DQE/ER-0313/14, ORNL, 1993, p.309-317.

26. Votinov S.N., Kazakov V.A., Evtikhin V.A. et al. Development of vanadium alloys for fusion blankets // Proc. Of the IEA Workshop on Vanadium Alloys for Fusion Applications (Salem, Oregon, USA, June 15-17, 1994).

27. Matsui H., Fukumoto K., Smith D.L., Нее M.Chung, Witzenburg W., Votinov S.N. Status of vanadium alloys for fusion reactors // Journal of Nuclear Materials, 1996, vol.233-237, p.92-99.

28. Zinkle S.J., Matsui H., Smith D.L., Rowclife A.F., E.vanOsch, Abe K., Kazakov V.A. Research and development on vanadium alloys for fusion applications // Journal of Nuclear Materials, 1998, vol.253-263, p.250-214.

29. Hamilton M.L., Toloczko M.B. Effects of low temperature irradiation on the mechanical properties of ternary V-Cr-Ti alloys as determined by tensile tests and shear punch tests // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P.488-491.

30. Rice P. M., Zinkle S. J. Temperature dependence of the radiation damage microstructure in V-4Cr-4Ti neutron irradiated to low dose // Journal of Nuclear Materials. 1998. V. 258-263. P. 1414-1419.

31. Fukumoto K. -i., Matsui H., Tsai H., Smith D. L. Mechanical behavior and microstructural evolution of vanadium alloys irradiated in ATR-A1 // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P 492-497.

32. Sugiyama M., Fukumoto K. and Matsui H. Dislocation channel formation process in V-Cr-Ti alloys irradiated below 300 °C // Journal of Nuclear Materials. 2004. V. 329333. P. 467-471.

33. Satou M., Chuto Т., Abe K. Improvement in post-irradiation ductility of neutron irradiated V-Ti-Cr-Si-Al-Y alloy and the role of interstitial impurities // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P 367-371.

34. Михайлов B.H., Евтихин B.A., Люблинский И.Е., Вертков А.В., Чуманов А.Н. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века. М.: Энергоатомиздат, 1999. 528 с.

35. Ohnuki S. et al. Void formation and precipitation in neutron irradiated vanadium alloys // Journal of Nuclear Materials 1988, v. 155-157. P. 370-375.

36. Люблинский И.Е., Вертков A.B., Евтихин B.A., Вотинов С.Н., Губкин И.Н., Карасев Ю.В., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В. Оптимизация легирования ~ сплавов системы V-Ti-Cr. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. Вып.З. 2005 г. С.70-78.

37. Natesan К., Soppet W. К., Purohit A. Uniaxial creep behavior of V-4Cr-4Ti alloy // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 585-590

38. Fukumoto K., Yamamoto Т., Nakao N., Takahashi S., Matsui H. High temperature performance of highly purified V-4Cr-4Ti alloy, NIFS-Heatl // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 610-614.

39. Grossbeck M. L. Creep of V-4Cr-4Ti in a lithium environment // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 307-311. P. 615-619.

40. Kurtz R.J., Ermi A.M., Matsui H., Fusion Materials Semi-Annual Progress Report, DOE/ER-0313/31.1 2001.P.2.

41. Koyama M., Fukumoto K., Matsui H. Effects of purity on high temperature mechanical properties of vanadium alloys // Journal of Nuclear Materials. 2004. V. 329333. P. 442-446.

42. Грязнов Г.М., Евтихин B.A., Люблинский И.Е. и др. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов // М.: Энергоатомиздат, 1989

43. Бескоровайный Н.М., Иолтуховский А.Г., Люблинский И.Е., Васильев В.К. Растворимость компонентов сталей типа 0Х16Н15МЗБ, а также ниобия и ванадия в литии // Физико-химическая механика материалов. 1980. Т.16. №3. С.59-64.

44. Евтихин В.А., Люблинский И.Е., Коржанин В.М. Жидкий литий и ванадиевые сплавы в проекте ИТЭР // Перспективные материалы, 1995, №6, с.38-42

45. Toshinori Chuto, Norikazu Yamamoto, Johsei Nagakawa, Yoshiharu Murase Creep rupture properties of helium implanted V-4Cr-4Ti alloy NIFS-HEAT-2 // Journal of Nuclear Materials 2004, v. 329-333. P. 416-419.

46. Chen J. M., Muroga Т., Qiu S. Y., Nagasaka Т., Huang W. G., Tu M. J., Chen Y., Xu Y., Xu Z. Y. The development of advanced vanadium alloys for fusion applications // Journal of Nuclear Materials 2004, v. 329-333. P. 401-405.

47. Sengo Kobayashi, Yusuke Tsuruoka, Kiyomichi Nakai, Hiroaki Kurishita Effect of neutron irradiation on the microstructure and hardness in particle dispersed ultra-fine grained V-Y alloys /7 Journal of Nuclear Materials 2004, v. 329-333. P. 447-451.

48. Kurishita H., Kuwabara Т., Hasegawa M., Kobayashi S., Nakai K. Microstructural control to improve the resistance to radiation embrittlement in vanadium // Journal of Nuclear Materials 2005, v. 343. P. 318-324.

49. Несмеянов A.H. Давление пара химических элементов // М.: Изд. АН СССР. 1961.296с.

50. King H.W. Quantitative size-factors for metallic solid solutions // Journal Material Science. 1966. V.l.P.79-90.

51. Яценко С.П. Галлий. Взаимодействие с металлами // М.: Наука. 1974 г. 220 с.

52. Диаграммы состояния двойных металлических систем // Справочник под общей редакцией Н.П.Лякишева. М. Машиностроение. 1997 г. Т.2. 1024 с.

53. Binary Alloy Phase Diagrams // American Society for Metals. Editor-in-Chief Thaddeus B. Massalski. Metals Park, Ohio, 44073.

54. Leguey Т., Monge M., Pareja R., Hodgson E. R. Recovery of electron irradiated V-Ga alloys // Journal of Nuclear Materials. 1999. V.279. P. 364-367.

55. Leguey Т., Pareja R., Hodgson E.R. Annealing of radiation-induced defects in vanadium and vanadium-titanium alloys // Journal of Nuclear Materials. 1996. V.231. P. 191-198.

56. Shiller P. Fundamental problems of materials research for fusion // Mater. Science Forum. 1992. P.397-406.

57. Колотов В.П., Платов Ю.М., Симаков C.B., Товтин В.И., Цепелев А.Б., Филяев И.Н. Параметры активации и ползучесть малоактивируемых сплавов на основе ванадия // Перспективные материалы. 2004. №6. С.23-29.

58. Chung Н.М., Loomis В.А., Nowicki L., Smith D.L. Irradiation-induced density change and microstructural evolution of vanadium-base alloys // Fusion Reactor Materials. DOE/ER-O313/15. 1993. P.223-239.

59. Физические зеличины: Справ. / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат,1991.

60. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980.

61. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температура: Справ. М.: Металлургия, 1989.

62. Быков В.Н., Федоровский А.Е. Измерение модулей упругости и внутреннего трения на малых образцах // Приборы и техника эксперимента. 1966 г. №1. С. 163167.

63. Иванов Л.И., Дедюрин А.И., Савватеев H.H., Боровицкая И.В. Перспективы применения сплавов системы ванадий-галлий в термоядерной энергетике // Перспективные материалы, 1995. №5. С.37-40.

64. Иванов Л.И., Платов Ю.М., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В., Люблинский И.Е., Вертков А.В., Колотов В.П. Исследование малоактивируемых сплавов для ядерной энергетики на основе диаграммы состояния V-Ga-Si. Перспективные материалы, 2005, №1, с.31-37.

65. Дедюрин А.И., Боровицкая И.В., Захарова М.И., Артемов Н.А: Влияние легирования на теплопроводность и упругие свойства сплавов системы V-Ga // Металлы, 1997. №3. С.145-149.

66. Дедюрин А.И., Захарова М.И., Боровицкая И.В. Влияние легирования на теплопроводность сплавов ванадия // Металлы, 1995. №5. С.135-138.

67. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов // М.: Металлургия, 1980. С. 288-313.

68. Мак Лин Д. Механические свойства металлов // М.: Металлургия, 1965. С. 70

69. Дедюрин А.И., Захарова М.И., Боровицкая И.В., Артемов Н.А. Влияние легирования на модули упругости сплавов ванадия // Металлы, 1996. №5. С.146-152.

70. Бондаренко Г.Г., Дедюрин А.И., Захарова М.И., Боровицкая И.В., Артемов Н.А. Влияние нейтронного облучения на распухание, теплопроводность и модули упругости сплава V-5Ti-5Cr // Труды VIII Межнационального совещания

71. Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 29 июня 4 июля 1998 г. М., 1998. С. 413-419.

72. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах // М.: Атомиздат, 1975. С. 176-189.

73. Диаграммы состояния металлических систем // М.: ВИНИТИ, 1966. Вып.ХН. С.163.

74. Диаграммы состояния металлических систем // М.: ВИНИТИ, 1961. Вып.VIII. С. 169.

75. Диаграммы состояния металлических систем // М.: ВИНИТИ, 1973. Вып.Х1Х. С. 229.

76. Биржевой Г.А., Захарова М.И., Артемов Н.А., Алексеев А.Б., Тарасиков В.П. Физические и теплофизические свойства сплавов V-4Ti-4Cr и V-8Ti-5Cr // Металлы, 1996. №5. С.61-64.

77. Иванов Л.И., Петров B.C., Дедюрин А.И., Боровицкая И.В. Испарение элементов из малоактивируемого сплава V-3,66 aT.%Ga // Перспективные материалы. 2001 г. №2. С.37-39.

78. Федичкин Г.М., Бондаренко Г.Г., Шмыков А.А. Исследование процессов испарения некоторых конструкционных материалов // В сборнике «Исследование и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза. Изд. «Наука», 1981 г. С.36-39.

79. Вагнер К. Термодинамика сплавов. М., Металлургиздат. 1957. 179 с.

80. Иверонова В.И., Кацнельсон А.А. Ближний порядок в твердых растворах. М., Наука. 1977. 255 с.

81. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М., Металлургия. 1974. 280 с.

82. Ланди Т.С., Федерер Дж.И., Павел Р.Е., Уинслоу Ф.Р Результаты исследования диффузии в b-цирконии, ванадии, ниобии и тантале // Там же, с.44-55

83. Пиирт Р.Ф. Самодиффузия ванадия // Там же, с.244-253.

84. Дедюрин А.И., Люблинский И.Е., Боровицкая И.В. Коррозионная стойкость в литии сплавов системы V-Ga. Металлы. 1998 г. №3. С.71-74.

85. Вотинов С.Н., Гомозов Л.И., Дедюрин А.И. Сплавы ванадия новый перспективный конструкционный материал для атомных и термоядерных реакторов // Новые металлургические процессы и металлы. М.: Наука, 1991. С.182.

86. Лютый Е.М., Бобык Р.И., Дедюрин А.И., Гомозов Л.И. Влияние легирования ванадия на совместимость его с жидким литием // Физико-химическая механика материалов. 1989. №5. С.85.

87. Ammon R.L. Vanadium and vanadium alloys compatibility behavior with lithium and sodium at elevated temperatures // International Metals Review. 1980. V.25. №5-6. P.225.

88. Smith D.L., Loomis B.A., Diercks D.R. Vanadium-base alloys for fusion reactor applications a review // Journal of Nuclear Materials. 1985. V.135. P. 125.

89. Верягин У.Д., Маширев В.П., Рябцев Н.Г. и др. Термодинамические свойства неорганических веществ: Справочник. М.: Атомиздат, 1965.

90. Dediurin A.I., Platov Yu.M., Zakharova M.I., Borovitskaja I.V., Artemov N.A. Effect of neutron irradiation on swelling, elastic modulus and thermal conductivity of VGa alloys //Journal of Nuclear Materials. 1998. V.258-263. P. 1409-1413.

91. Захарова М.И., Боровицкая И.В./Дедюрин А.И., Иванов Л.И., Платов Ю.М. Влияние облучения быстрыми нейтронами на радиационное упрочнение ванадий-галлиевых сплавов // Физика и химия обработки материалов. 2001 г. №2. С.95-96

92. Gelles D.L., Ohnuki S., Takahashi H., Matsui H., Kohno Y. Electron irradiation experiments in support of fusion // Report PNL-SA-19424, 1991, 16 p.

93. Garner F.A., Gelles D.S., Takahashi H., Ohnuki S., Kinoshita H., Loomis B.A. Hight swelling rates observed in neutron irradiated V-Cr, V-Si binary alloys // Report PNL-SA-19559, 14 p.

94. Loomis B.A., Smith D.L. Vanadium alloys for structural applications in fusion systems: a review of vanadium alloy mechanical and physical properties // Journal of Nuclear Materials. 1992. V.191-194. P.84-91.

95. Chen I-Wei, Tiwo A. Nucleation voids The impurity effects // In: Effects of Radiation on Materials. Philadelphia, 1985. V.l. P.507-524.

96. Garner F.A., Wolfer W.G. The effect of solute additions on void nucleation // Journal of Nuclear Materials. 1981. V.102. P.143-150.

97. Захарова М.И., Артемов H.A. Внутреннее трение и модули упругости до 0,7 Гпл облученного нейтронами ниобия // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 1985. Вып. 4(37). С. 84-90.

98. Захарова М.И., Артемов Н.А., Колтыгин В.М. Термическая стабильность радиационных эффектов в монокристаллическом ванадии: Препринт ФЭИ-1040, Обнинск, 1980.

99. Захарова М.И., Артемов Н.А. Внутреннее трение и электросопротивление монокристаллического молибдена после нейтронного облучения и отжига до 0,7

100. Препринт ФЭИ-2023, Обнинск, 1989

101. Боровицкая И.В., Дедюрин А.И., Иванов Л.И., Крохин О.Н., Никулин В.Я., Тихомиров А.А. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий. Перспективные материалы, 2003 г. №2. С. 10-15.

102. Л.И.Иванов, А.И.Дедюрин, И.В.Боровицкая, О.Н.Крохин, В.Я.Никулин, А.А.Тихомиров, В.С.Петров. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на сплавы системы V-Ga-Si. Перспективные материалы, №1, 2006 г. С.

103. З.И.Мезох, В.АЛнушкевич, Л.И.Иванов. Образование точечных дефектов в никеле при воздействии гигантских импульсов ОКГ. ФХОМ, 1971, №4, с.163-165.

104. В.Н.Груднев, И Л.Дехтяр, Л.И.Иванов, Н.В.Карлов, Е.П.Кузьмин, М.М.Нищенко, А.М.Прохоров, Н.Н.Рыкалин, В.АЛнушкевич. Влияние лазерного облучения на температуру сверхпроводящего перехода в сплаве ниобий-олово. Письма в ЖЭТФ, 1973, т.18, в.4, с.258-260.

105. Бондаренко Г.Г., Иванов Л.И., Янушкевич В.А. Природа структурных нарушений в алюминии при воздействии гигантских импульсов ОКГ. Физика металлов и металловедение, 1973, т.36, №4, с.879-880.

106. Иванов Л.И., Казилин Е.Е., Платов Ю.М., Симаков С.В., Янушкевич В.А. Образование пор в алюминии при лазерном воздействии. Физика и химия обработки материалов, 1985, №5, с.25-27.

107. Л.И.Иванов, Н.АЛитвинова, В.АЛнушкевич. Глубина образования ударных волн при воздействии лазерного излучения на поверхность монокристалла молибдена. Квантовая электроника, 1977, т.4, №1, с.204-206. и.

108. Г.Г.Бондаренко, Л.И.Иванов, В.АЛнушкевич. Воздействие гигантских импульсов лазера на микроструктуру алюминия. ФХОМ, 1973, №4, с. 19-21.

109. Е.Г.Пруцков, Ю.Н.Никифоров, В.АЛнушкевич. О природе дефектов в n-Si, облученном мощным лазерным импульсом. ФТП, 1981, в.8, с. 1620-1622.

110. Ф.Мирзоев, Л.Шелепин. Нелинейные волны деформации и плотности дефектов в металлических пластинах при воздействии внешних потоков энергии. Техническая физика, 2001 г, №7.,с.1-10.

111. Иванов Л.И., Литвинова Н.А., Янушкевич В.А. Закономерности образования ударных волн при воздействии лазерного излучения на поглощающие твердые тела. Проблемы прочности. 1978 г. Т.48. №12.С. 2559-2565.

112. А.И.Акишин, Л.С.Новиков. Методы имитации воздействия окружающей среды на материалы космических аппаратов. Издательство МГУ. 1986. 59 с.

113. Справочник под редакцией академика Н.П.Лякишева. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т.2. М., Машиностроение, 1997. С. 364-365.

114. Фромм Г., Гебхарт Е. Газы и углерод в металлах. М.: Металлургия, 1980, С. 439.

115. Potzel U., Raab R., Volkl J., Wipf H., Magerl A., Salomon D., Wortman G. Diffusion of Hydrogen in Metals. Journal of the Less-Common Metals. 1984, V. 101, P. 343-362.

116. Янушкевич В.А.Закономерности образования точечных дефектов в ударной волне малой амплитуды. Физика и химия обработки материалов, 1979, №2, С. 47-51.