ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ РЕАКТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНОЙ И ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Российский патент 2009 года по МПК C22C14/00 

Описание патента на изобретение RU2367697C1

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при производстве оборудования и корпусных конструкций стационарных и транспортных ядерных энергетических установок (ЯЭУ).

Известны конструкционные титановые материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, титановые сплавы типа ВТ, ОТ и ПТ, а также другие аналоги), указанные в научно-технической и патентной литературе [1-4]. Однако известные сплавы применительно к реакторному оборудованию не удовлетворяют требованиям по механическим и эксплуатационным свойствам и их стабильности при кратковременном и длительном статическом и циклическом нагружениях, а также требованиям по деформационной способности этих материалов в условиях нейтронного облучения. Все это приводит к снижению эксплуатационной надежности и промышленной, в т.ч. радиационно-экологической безопасности применяемого реакторного оборудования в процессе его длительной эксплуатации в составе стационарных и транспортных ЯЭУ.

Наиболее близким к заявляемой композиции по базовому химическому составу и функциональному назначению компонентов является титановый сплав марки ВТ-14 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, в мас.%:

алюминий 3,5-5,6 ванадий 0,5-2,5 молибден 2,5-3,8 цирконий ≤0,10 кремний ≤0,12 железо ≤0,25 кислород ≤0,13 азот ≤0,04 углерод 0,06-0,14 титан остальное

Данную марку сплава в соответствии с требованиями действующей НТД и по данным ряда работ [1-5] рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве машиноподелочного конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения.

При этом известный сплав характеризуется недостаточно высоким уровнем механических и эксплуатационных свойств, таких как кратковременная и длительная прочность, ударная вязкость, сопротивление усталости, деформационная способность в условиях нейтронного облучения флюенсом 5·1020 н/см2, а также повышенная склонность к наведенной радиоактивности.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание малоактивируемого и радиационностойкого титанового сплава, обладающего более высокими значениями кратковременной и длительной прочности, сопротивления усталости, деформационной способности после нейтронного облучения флюенсом до 5·1020 н/см2, а также пониженной склонностью к наведенной радиоактивности. Технический результат достигается в результате того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, ванадий, молибден, цирконий, кремний, углерод, кислород, азот и титан дополнительно введены вольфрам и церий при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

алюминий 4,7-6,0 ванадий 1,0-2,0 молибден 0,8-2,0 вольфрам 0,01-0,10 цирконий 0,01-0,10 кремний 0,01-0,10 железо 0,10-0,25 церий 0,005-0,01 углерод 0,05-0,15 кислород 0,01-0,12 азот 0,01-0,04 титан остальное

при этом:

- суммарное содержание ванадия и молибдена не должно превышать 3,5%;

- суммарное содержание циркония и кремния не должно превышать 0,15%;

- суммарное содержание кислорода и азота не должно превышать 0,13%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала формирование наиболее оптимального структурного состояния и заданный уровень служебных свойств, позволяющих существенно повысить эксплуатационную надежность и ресурс реакторного оборудования.

Введение в заявляемый сплав микролегирующих и модифицирующих добавок вольфрама и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами и, в первую очередь, с алюминием, ванадием и молибденом способствует не только повышению его структурной стабильности и радиационной стойкости в условиях длительного воздействия нейтронного облучения, но и обеспечивает более интенсивный спад наведенной радиоактивности внутриреакторного и корпусного оборудования, выводимого из эксплуатации. При этом, как показали результаты наших исследований [6-11], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и избыточных фаз по всему сечению крупногабаритных поковок и сложнопрофильных полуфабрикатов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, более активно идет формирование мелкозернистой структуры с равноосной формой зерна, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости как основного металла, так и сварных соединений. Заметно снижается склонность сплава к структурной анизотропии и существенно улучшается его технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве сортового и листового проката, а также крупногабаритных поковок. Введение модифицирующих добавок вольфрама и церия менее указанных в формуле изобретения значений снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в процессе длительной эксплуатации в условиях реакторного облучения. Введение вольфрама и церия более указанных в формуле изобретения значений вызывает образование в структуре металла хрупких интерметаллических соединений, что приводит к потере запаса пластичности сплава и снижению его сопротивления хрупким разрушениям.

Ограничение содержания в заявляемой композиции ванадия и молибдена, как твердорастворных упрочняющих элементов в указанном соотношении с вольфрамом и церием, а также ограничение суммарного содержания вредных примесей внедрения кислорода и азота в сочетании с термодинамически активными Zr и Si, во многом влияющими на процесс кристаллизации расплава, способствует формированию более однородной и мелкозернистой структуры и заданного уровня физико-механических свойств, предопределяющих высокую деформационную способность металла в условиях нейтронного облучения.

Фрактографический анализ поверхности изломов облученных образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [9-11], что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне разрушения металла заметно возрастает, по сравнению с известным составом. Несоблюдение указанных в формуле изобретения количественных соотношений снижает сопротивление металла радиационному охрупчиванию под действием высокодозного нейтронного облучения и отрицательно влияет на весь комплекс прочностных и деформационных характеристик металла.

Таким образом, полученный более высокий уровень механических и эксплуатационных свойств и высокая деформационная способность материала в условиях реакторного облучения достигаются комплексным модифицированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами. сбалансированным химическим и фазовым составом, а также нормированным содержанием вводимых микролегирующих добавок.

В ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли и в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральных целевых научно-технических программ [12, 13] выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумных гарнисажных электропечах с магнитоуправляемой дугой с последующей обработкой на кузнечно-прессовом оборудовании мощностью 6000 т. Были изготовлены полуфабрикаты в виде кольцевых поковок массой до 500 кг, из которых вырезали образцы для исследования механических и эксплуатационных свойств.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения основных механических и эксплуатационных свойств представлены в таблицах 1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного титанового сплава в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурсных характеристик, а также радиационно-экологической безопасности использования корпусных конструкций современных реакторных установок атомной и термоядерной энергетики за счет повышения уровня механических и эксплуатационных свойств, деформированной способности после нейтронного облучения, а также снижения склонности к наведенной радиоактивности.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 19807 Титан и сплавы титановые деформируемые (марки), Госстандарт, 1991 - прототип.

2. ОСТ1.92077 Сплавы титановые (марки).

3. Б.Б.Чечулин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении, Л.: изд-во «Машиностроение», 1977.

4. С.Г.Глазунов, В.Н.Моисеев. Конструкционные титановые сплавы, М.: изд-во «Металлургия», 1974.

5. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы как перспективный реакторный материал. Сб. статей «Радиационное материаловедение и конструкционная прочность реакторных материалов», изд-е ЦНИИ КМ «Прометей», - СПб, 2002.

6. С.С.Ушков, В.А.Межонов, О.А.Кожевников и др. Применение титановых сплавов для корпусов водо-водяных реакторов перспективных атомных энергетических установок. - Материалы 7-й международной научно-технической конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС». С-Пб., 2002.

7. И.В.Горынин, С.С.Ушков, В.А.Семенов и др. Модернизация, повышение надежности и ресурса реакторных конструкций атомных электростанций. - Материалы международной научно-технической конференции по реакторному материаловедению. - Киев, 2006.

8. С.С.Ушков, В.А.Межонов, О.А.Кожевников и др. Перспективы применения малоактивируемых титановых сплавов в сварных конструкциях атомных энергетических установок. - Сб. статей. «Вопросы материаловедения» №3, изд-е ЦНИИ КМ «Прометей». - С-Пб. 2007.

9. О.А.Кожевников, В.В.Рыбин, Е.В.Нестерова и др. Механические свойства, тонкая структура и микромеханизмы разрушения облученных нейтронами α-сплавов титана. - М.: журнал «Металловедение и термическая обработка металлов», №9, 1999.

10. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков, О.А.Кожевников и др. «Радиационно-стойкие малоактивируемые титановые сплавы - новое поколение конструкционных материалов для реакторного оборудования ЯЭУ». - Материалы международной научно-технической конференции по реакторному материаловедению. - Киев, 2004.

11. О.А.Кожевников. Особенности радиационных повреждений титановых сплавов с различным содержанием примесей внедрения. В кн. «Радиационная физика металлов и сплавов». - Тбилиси, 1979.

12. Федеральная целевая научно-техническая программа «Национальная технологическая база», 2007.

13. Федеральная целевая научно-техническая программа «Разработка и исследование конструкционных материалов для термоядерной энергетики (международный термоядерный реактор проекта ИТЭР)», 2005.

Похожие патенты RU2367697C1

название год авторы номер документа
ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ СИЛОВЫХ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 2009
  • Межонов Вадим Алексеевич
  • Федоров Анатолий Михайлович
  • Кожевников Олег Анатольевич
  • Повышев Игорь Анатольевич
  • Хромушкин Константин Дмитриевич
RU2391426C1
ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 2007
  • Межонов Вадим Алексеевич
  • Ушков Сталь Сергеевич
  • Кожевников Олег Анатольевич
  • Семенов Владимир Андреевич
  • Повышев Игорь Анатольевич
RU2351671C2
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ И РАДИАЦИОННО СТОЙКАЯ ХРОМИСТАЯ СТАЛЬ 2006
  • Иолтуховский Александр Григорьевич
  • Велюханов Виктор Павлович
  • Зеленский Геннадий Константинович
  • Леонтьева-Смирнова Мария Владимировна
  • Погодин Владимир Павлович
  • Голованов Виктор Николаевич
  • Шамардин Валентин Кузьмич
  • Фураева Елена Владиславовна
  • Шевцов Аркадий Павлович
RU2325459C2
Высокопрочный титановый сплав для корпусных конструкций атомного реактора с водяным теплоносителем 2019
  • Ковальчук Михаил Валентинович
  • Орыщенко Алексей Сергеевич
  • Леонов Валерий Петрович
  • Ледер Михаил Оттович
  • Счастливая Ирина Алексеевна
  • Ханжин Александр Валерьевич
  • Иголкина Татьяна Николаевна
  • Скрупскас Виталий Викторович
RU2702251C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ВОДО-ВОДЯНОГО РЕАКТОРА НА МЕДЛЕННЫХ НЕЙТРОНАХ ИЗ МАЛОАКТИВИРУЕМОЙ ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ 2009
  • Агеев Валерий Семенович
  • Друженков Владимир Владимирович
  • Иолтуховский Александр Григорьевич
  • Леонтьева-Смирнова Мария Владимировна
  • Можанов Евгений Михайлович
  • Никитина Анастасия Андреевна
  • Потапенко Михаил Михайлович
  • Фураева Елена Владиславовна
  • Шевцов Аркадий Павлович
RU2412255C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКАЯ СТАЛЬ 2007
  • Родин Виктор Никифорович
  • Сафонов Борис Владимирович
  • Чуканов Андрей Павлович
  • Агеев Валерий Семенович
  • Никитина Анастасия Андреевна
  • Леонтьева-Смирнова Мария Владимировна
RU2360992C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2001
  • Солонин М.И.
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Голованов В.Н.
  • Кондратьев В.П.
  • Чернов В.М.
  • Шамардин В.К.
RU2211878C2
ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛОБЕТОННЫХ КОНТЕЙНЕРОВ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 2004
  • Быковский Н.Г.
  • Оленин М.И.
  • Калиничева Н.В.
  • Мартынихина Н.И.
  • Володин С.И.
  • Повышев И.А.
  • Морозов О.О.
RU2259419C1
ТВЭЛ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ (ВАРИАНТЫ) И ОБОЛОЧКА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2003
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Ватулин А.В.
  • Голованов В.Н.
  • Шамардин В.К.
  • Буланова Т.М.
  • Цвелев В.В.
  • Шкабура И.А.
  • Иванов Ю.А.
  • Форстман В.А.
RU2262753C2
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2013
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Орлов Александр Сергеевич
  • Ершов Николай Сергеевич
RU2515716C1

Реферат патента 2009 года ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ РЕАКТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНОЙ И ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, предназначенных для использования при производстве оборудования и в корпусных конструкциях стационарных и транспортных ядерных энергетических установок. Техническим результатом является создание сплава с улучшенным комплексом механических и служебных свойств, меньшей склонностью к наведенной активности, а также повышенной деформационной способностью в условиях нейтронного облучения, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и ресурса реакторного оборудования ядерных энергетических установок. Предложен титановый сплав, содержащий в мас.%: алюминий 4,7-6,0, ванадий 1,0-2,0, молибден 0,8-2,0, вольфрам 0,01-0,10, цирконий 0,01-0,10, кремний 0,01-0,10 железо 0,10-0,25, церий 0,005-0,01, углерод 0,05-0,15, кислород 0,01-0,12, азот 0,01-0,04, титан - остальное, при этом суммарное содержание ванадия и молибдена не превышает 3,5%, суммарное содержание циркония и кремния не превышает 0,15%, суммарное содержание кислорода и азота не превышает 0,13%. 2 табл.

Формула изобретения RU 2 367 697 C1

Титановый сплав для реакторного оборудования атомной и термоядерной энергетики, содержащий алюминий, ванадий, молибден, цирконий, кремний, железо, углерод, кислород и азот, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий 4,7-6,0 ванадий 1,0-2,0 молибден 0,8-2,0 вольфрам 0,01-0,10 цирконий 0,01-0,10 кремний 0,01-0,10 железо 0,10-0,25 церий 0,005-0,01 углерод 0,05-0,15 кислород 0,01-0,12 азот 0,01-0,04 титан остальное


при этом суммарное содержание ванадия и молибдена не превышает 3,5%, суммарное содержание циркония и кремния не превышает 0,15%, а суммарное содержание кислорода и азота не превышает 0,13%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2367697C1

Прибор для обнаружения колебания почвы 1929
  • Михалев А.В.
SU19807A1
Титан и сплавы титановые, деформируемые
- Госстандарт, 1991
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2001
  • Каблов Е.Н.
  • Ясинский К.К.
  • Тарасенко Е.Н.
RU2211874C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА 1990
  • Игнатов В.А.
  • Рыбин В.В.
  • Чернышев П.В.
  • Винокуров В.Ф.
  • Кожевников О.А.
  • Одинцов Б.П.
RU1746727C
Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор 1923
  • Петров Г.С.
SU2005A1
JP 11080866 A, 26.03.1999.

RU 2 367 697 C1

Авторы

Межонов Вадим Алексеевич

Ушков Сталь Сергеевич

Кожевников Олег Анатольевич

Повышев Игорь Анатольевич

Даты

2009-09-20Публикация

2008-02-21Подача