КОМПОЗИЦИЯ ИЗ БОРОКАРБИДА ВОЛЬФРАМА И ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЦЕЛЯХ ЗАЩИТЫ ОТ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК C22C27/04 B22F3/12 G21F1/08 C22C29/06 G21C11/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к композиции, способу изготовления этой композиции, а также к применению этой композиция в целях защиты от ядерного излучения в ядерном реакторе.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уровень потребления энергии на одного человека превышает современные возможности ее выработки, в связи с чем возникла новая заинтересованность в возможностях использования ядерной энергии в качестве источника энергии с нейтральным уровнем эмиссии углерода, потенциально способного восполнить этот дефицит энергии. В частности, недавние достижения в области магнитных технологий делают возможность использования управляемого синтеза в качестве практически реализуемого источника энергии с отрицательной эмиссией углерода реальной альтернативой в ближайшем будущем. Более крупные реакторы, такие как Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) и Объединенный европейский "Токамак" (Joint European Torus, JET), планируют применять металлический вольфрам с бериллием для компонентов, обращенных к плазме. Однако в этом применении существует проблема с использованием металлического вольфрама, поскольку металлический вольфрам сложно производить большими партиями, и, кроме того, как вольфрам, так и бериллий могут образовывать опасные оксиды при высоких температурах. Поэтому существует стимул найти более дешевую и безопасную альтернативу.

При проектировании любого типа ядерного реактора важно учитывать необходимость защиты компонентов реактора от высокого потока нейтронов и гамма–излучения, создаваемого ядерным реактором. В части, касающейся защиты от излучения, существует необходимость в эффективной биологической защите, а также в способности защитить другие части реактора, например, электронные системы. Защитный материал должен обеспечивать защиту от широкого спектра высокоэнергетических радиоактивных частиц, включая α, β и γ–лучи, нейтроны, на малом расстоянии. Эти условия накладывают жесткие ограничения на тип используемых материалов. Также важно, чтобы сама защита была устойчива к активации и не подвергалась воздействию вредных радиоизотопов при облучении. Это означает, что нельзя использовать материалы, содержащие значительные количества Ni и Co, так как они представляют активационную опасность при облучении.

Как малые модульные ядерные реакторы деления, так и реакторы с магнитным удержанием предлагается использовать в качестве части атомных электростанций следующего поколения. Небольшие модульные атомные станции могут быть более безопасными и более эффективными, чем крупные атомные электростанции, которые используются в настоящее время. Что же касается термоядерных реакторов с магнитным удержанием, то в них для генерации магнитного поля применяется криогенно охлаждаемая медь и/или высокотемпературные сверхпроводники (HTS), поэтому пространство между плазменной камерой и холодными проводниками (медь/HTS) ограничено. В обоих случаях при выборе материала для защиты от излучения для этих типов реакторов существует дополнительная проблема, поскольку геометрия таких реакторов подразумевает ограниченное пространство, и поэтому материал защиты должен быть пригоден для нанесения тонкими слоями и сохранять при этом свою эффективность защиты.

Таким образом, задача состоит в том, чтобы найти альтернативный защитный материал, не требующий нанесения слишком толстого слоя для обеспечения хорошей защиты; этот материал также не должен образовывать опасных побочных продуктов под воздействием процесса ядерного синтеза. Очень важно, чтобы этот материал не содержал элементов, способных превращаться во вредные радионуклиды, и чтобы не требовалось выводить такое устройство из эксплуатации и перегружать топливо в конце рабочего цикла. Весьма существенной является возможность изготовления материала для данного применения с использованием обычных технологий. Наиболее подходящие материалы для этого применения также должны иметь достаточную стойкость к окислению и подходящую теплопроводность.

Сущность изобретения

Учитывая вышесказанное, предложена композиция, содержащая следующие элементы в атомных процентах (ат.%): бор (В) 21–41, железо (Fe) 25–35, хром (Cr) 2–4, углерод (С) 3–10, и остальное вольфрам (W). Настоящее изобретение позволяет получить материал с оптимальными свойствами для защиты от ядерного излучения, обладающий способностью спекаться, который имеет максимально возможную плотность и минимально возможную пористость.

Авторы изобретения обнаружили, что предложенные диапазоны составов позволяют получить композицию, обладающую наиболее оптимальными свойствами материала для защиты от ядерного излучения. Следовательно, был выбран такой баланс между бором и вольфрамом, чтобы композиция, предназначенная для использования в целях защиты от ядерного излучения, имела оптимальные поглощающие свойства.

Настоящее изобретение также относится к способу изготовления композиции, согласно которому:

а) обеспечивают один или более порошков, содержащих элементы B, Fe, Cr, C и W;

b) измельчают один или более порошков с органическим связующим для получения порошковой смеси;

с) спрессовывают измельченную порошковую смесь, и

d) спекают спрессованную порошковую смесь для получения спеченной композиции;

отличающемуся тем, что один или более порошков, добавленных на этапе (а), содержат следующие элементы в атомных процентах: бор 21–41, железо 25–35, хром 2–4, углерод 3–10, и остальное – вольфрам.

Кроме того, настоящее изобретение также относится к применению композиции для изготовления объекта, предназначенного для защиты от ядерного излучения в ядерном реакторе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 – изображение микроструктуры образца А, полученное методом оптической микроскопии.

Фигура 2 – изображение микроструктуры образца В, полученное методом оптической микроскопии.

Фигура 3 – изображение микроструктуры образца С, полученное методом оптической микроскопии.

Фигура 4 – изображение микроструктуры образца G, полученное методом оптической микроскопии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Таким образом, один аспект настоящего изобретения относится к композиции, содержащей следующие элементы в атомных процентах (ат.%): бор (В) 21–41, железо (Fe) 25–35, хром (Cr) 2–4, углерод (С) 3–10, и остальное – вольфрам (W).

Было обнаружено, что данный состав образует наиболее стабильные микроструктуры с точки зрения достаточной спекаемости, подходящих механических свойств, устойчивости к растрескиванию и возникновению вырывов в процессе шлифования, а также сохранения минимального уровня пористости.

Атомный процент (ат.%)" элементов вычисляется следующим образом:

а) Вычисляют "проценты распределения по атомам" для каждого добавленного порошка, используя молекулярные массы элементов в данном порошке, например, для B₄C относительное содержание бора рассчитывается следующим образом: (4 x молекулярный вес B (10,81))/((молекулярный вес углерода (12,01) + (4 x молекулярный вес бора (10,81)))) x 100=78,2 мас.% B. Значит "процент распределения по атомам" для C в B₄C составляет 21,8 мас.%.

b) Вычисляют "распределение по атомам в граммах" путем умножения "процента распределения по атомам" на массу данного добавленного порошка (в граммах). Эта операция преобразует количество в массу атомов каждого элемента, присутствующих в составе.

с) Вычисляют "молярное количество", для чего берут "распределение по атомам в граммах" и делят его на молярную массу данного элемента. Таким способом определяется число молей атомов каждого элемента в составе.

d. Вычисляют "атомный процент (ат.%)", для чего берут "молярное количество" каждого элемента и делят его на сумму всех "молярных количеств", чтобы нормировать мольную долю каждого вида атомов в процент.

Приведенные выше и далее интервалы состава позволяют получить композицию, обладающую высокой плотностью, низкой пористостью и высокой теплопроводностью. Эта комбинация свойств материала обеспечивает максимально возможную способность защиты от ядерного излучения. Высокая плотность означает, что имеется максимально возможное количество атомов для поглощения нейтронов и электромагнитного излучения. Присутствие каких–либо пор в материале могло бы ухудшить способность композиции поглощать излучение и тепло. Поэтому желательно обеспечить минимально возможную пористость. Также целесообразно получить композицию с высокой теплопроводностью, чтобы уменьшить мощность, необходимую для отвода образующегося нежелательного тепла.

Согласно одному варианту изобретения содержание Fe в предлагаемой композиции составляет от 25 до 35 ат.%, например, от 28 до 32 ат.%, например, от 29 до 31 ат.%. Было обнаружено, что такой состав дает наиболее стабильные микроструктуры с точки зрения высокой спекаемости, подходящих механических свойств, устойчивости к растрескиванию и возникновению вырывов в процессе шлифования, а также сохранения минимального уровня пористости.

Бор (B) будет поглощать энергию нейтронов, тем самым облегчая защиту от них. Содержание B в данной композиции составляет от 21 до 41 ат.%. Для оптимальной защитной способности содержание B должно быть как можно выше, чтобы замедлять нейтроны. При слишком низком содержании B полученная композиция не будет иметь хорошей защитной способности. С другой стороны, при слишком высоком содержании B полученная композиция будет чрезмерно хрупкой, а также будет иметь недостаточное содержание W для защиты от более энергичных частиц, таких как γ–лучи.

Хром будет выступать в качестве поглотителя углерода, а также подавлять магнетизм Fe и повышать коррозионную стойкость. Важность коррозионной стойкости состоит в том, что она снижает риск окисления в процессе изготовления композиции.

Углерод (С) является измельчителем зерна. При слишком низком содержании C могут образовываться нежелательные хрупкие фазы, такие FeB, а при слишком высоком содержании C повышается склонность к образованию пор и хрупких, богатых углеродом фаз в композиции, которые могут ухудшить защитную эффективность данного материала.

Вольфрам (W), составляющий остальную часть композиции, обеспечит хорошую защиту от нейтронов, кроме того, среда с большим содержанием вольфрама благоприятна для уплотнения. Если добавлять W в основном в форме WC, то W потребляется C и Fe (Cr). Это означает, что при недостаточном количестве W остается свободный C. При наличии свободного W полученная композиция будет иметь низкую плотность и пористую микроструктуру. Поэтому W добавляют в основном в форме металлического W. Однако может быть целесообразным добавлять небольшие количества W в форме WC, например, не более 5 мас.% WC от общего состава, чтобы воспрепятствовать изменениям состава в результате захвата WC средой для измельчения или полиэтиленгликолем (ПЭГ), который используется в качестве органического связующего и действует как вспомогательное средство при прессовании. WC также может действовать как ядрообразующая затравка для роста WC/WB₂ в целях поглощения углерода из B₄C.

Предложенная композиция, обладающая хорошей спекаемостью, будет иметь объемную усадку, например 15–22%, и плотную спеченную структуру после спекания образца из спрессованного порошка.

В одном варианте осуществления в композиции, охарактеризованной выше или в дальнейшем, по меньшей мере 95 ат.% Fe находится в форме борида, интерметаллического борида или интерметаллического карбида.

В одном варианте осуществления в композиции, охарактеризованной выше или в дальнейшем, по меньшей мере 95 ат.% Cr находится в форме борида, интерметаллического борида или интерметаллического карбида.

В одном варианте осуществления в композиции, охарактеризованной выше или в дальнейшем, менее 5 ат.% Fe находится в форме FeCr.

Было замечено, что при бомбардировке цементированного карбидного материала нейтронами на границах "твердая фаза – фаза металлического связующего" образуются "пузырьки". Эти "пузырьки" могут затем накапливаться и превращаться в поры; присутствие пор в материале для защиты от ядерного излучения нежелательно, так они снижают защитную эффективность материала. Поэтому может быть целесообразным иметь материал, не содержащий фазы металлического связующего. В отличие от цементированного карбида в настоящем изобретении во время спекания весь B₄C и W будет вступать в реакцию с FeCr, следовательно, полученная композиция не содержит фазы металлического связующего. Поэтому предложенная композиция не является цементированным карбидом. Обычно для цементированного карбида, когда добавляются порошки, содержащие Fe и Cr, обеспечивается состав, стехиометрически сбалансированный по углероду, большая часть Fe и Cr после спекания образуют фазу металлического связующего FeCr; например, по меньшей мере 95 ат.% Fe и по меньшей мере 95 ат.% Cr будут присутствовать в форме фазы металлического связующего FeCr, а в качестве интерметаллического карбида будут присутствовать только следовые количества Fe и Cr. Что же касается предложенной композиции, то в ней большая часть, например, по меньшей мере 95 ат.% Fe и по меньшей мере 95 ат.% Cr, присутствуют в форме борида, такого как FeB или Fe₂B, или интерметаллического борида, такого как B₈Fe₅W₇ или интерметаллического карбида. Кроме того, полностью отсутствуют или присутствуют лишь следовые количества фазы металлического связующего FeCr, например, менее 5 ат.%, поэтому можно считать, что предложенная композиция не содержит фазы металлического связующего.

Другой аспект настоящего изобретения относится к способу изготовления композиции, согласно которому:

а) обеспечивают один или более порошков, содержащих элементы B, Fe, Cr, C и W;

b) измельчают эти один или более порошков с органическим связующим для получения порошковой смеси;

с) спрессовывают измельченную порошковую смесь, и

d) спекают спрессованную порошковую смесь для получения спеченной композиции;

отличающемуся тем, что упомянутые один или более порошков содержат следующие элементы в атомных процентах:

бор 21–41,

железо 25–35,

хром 2–4,

углерод 3–10,

и остальное – вольфрам.

Измельчение одного или нескольких порошков вместе с органическим связующим обычно осуществляют в шаровой мельнице. Органическое связующее добавляют в качестве вспомогательного средства для прессования; обычно используется полиэтиленгликоль (ПЭГ), например, ПЭГ34. Затем порошку обычно придают форму посредством прессования, например, в прессе ТОХ. После прессования порошковую смесь спекают, например, в печи Sinter HIP. Однако для описанного здесь способа могут применяться и другие способы измельчения, формования и спекания, а также другие вспомогательные средства для прессования.

Также следует понимать, что может быть целесообразным добавить перед этапом спекания еще этап предварительного спекания.

В данном контексте термин "порошок" относится к мелким, сухим частицам твердого вещества.

В одном варианте осуществления способ спекания, охарактеризованный выше или в дальнейшем, представляет собой процесс реакционного спекания. В данном контексте термин "реакционное спекание" означает, что во время процесса спекания происходят химические реакции in situ, так что комбинация фаз, присутствующих в спеченной композиции, отличается от комбинации элементов и/или соединений, имеющихся в их порошковой форме. В этом состоит отличие от общепринятого жидкофазного спекания, обычно применяемого для получения цементированного карбида или кермета, потому что при обычном жидкофазном спекании комбинация фаз, присутствующих в спеченном материале, остается такой же, как исходная комбинация элементов и соединений, добавленных в их порошковом виде. Обычные цементированные карбиды, полученные жидкофазным спеканием, имеют некоторое количество реакций твердофазного уплотнения ниже точки жидкой фазы, однако подавляющая часть уплотнения происходит в интервале температур жидкой фазы, а не во время взаимодействий в твердом состоянии, чего нельзя сказать о композиции из материала, раскрытого в настоящем изобретении.

В настоящем изобретении процесс спекания можно осуществлять при температурах в интервале 1450–1520°С в вакууме или в процессе SinterHIPing (спекание–горячее изостатическое прессование) (обычно при около 50 бар) в атмосфере аргона. Эта реакция происходит в порошковой смеси при нагревании. Во время цикла спекания сначала удаляется органическое связующее. Затем происходят начальные реакции в твердом состоянии, обычно при температуре около 550°С. Следующие реакции начинают происходить при температуре около 800°С с образованием метастабильных фаз, а более стабильные фазы образуются при температуре 1000°С и выше. Во время процесса спекания присутствующие WC и B₄C расходуются и образуются различные смешанные фазы, включая FeB, WB и WB₂. Также могут присутствовать другие, более сложные фазы Fe_xW_yB_z. Процесс реакционного спекания позволяет получить хорошую усадку и контроль размеров, так как этот процесс обеспечивает такую же потерю массы и объемную усадку, как и обычное жидкофазное спекание цементированных карбидов на основе вольфрама. В результате процесса реакционного спекания образуется композиция, в которой отсутствует какое–либо металлическое связующее, образовавшееся после спекания. Важно отметить, что эти композиции могут быть изготовлены с использованием стандартного промышленного оборудования и процессов для спекания.

В одном варианте осуществления бор добавляют в форме порошка B₄C. Добавляемое количество составляет от 4 до 9 мас.% от общего количества добавленного одного или более порошков. Если количество B⁴C составляет менее 4 мас.%, полезный защитный материал с большим содержанием бора не будет получен, так как полученный материал будет иметь плохую спекаемость, значительное расслоение и будет очень хрупким. Добавление более 9 мас.% B₄C ведет к проблемам со спекаемостью, поскольку возрастает риск пористости из–за возможно недостаточного количества металлического W для реакции с бором. Важно поддерживать пористость на максимально низком уровне, так как пористость влияет на эффективность защиты. В качестве альтернативы можно добавлять бор в эквивалентном количестве в виде FeB, WB, элементарного B или CrB.

В данном контексте термин "массовый процент" (мас.%) подразумевает относительные массы одного или нескольких взвешенных порошков по сравнению с общим количеством добавленного порошка.

В одном варианте осуществления способа, охарактеризованного выше или в дальнейшем, железо и хром добавляют в форме порошка FeCr в количестве 17–26 мас.%. Количество добавляемого FeCr выбирается таким образом, чтобы получить оптимальный атомный вес Fe в данной композиции. Согласно одному варианту осуществления содержание Cr в добавленном порошке FeCr составляет от 2 до 20 мас.%, например, от 2 до 8 мас.%, от общего количества FeCr. Иными словами, если количество FeCr, добавленного в состав, составляет 20 мас.%, то 0,4–4 мас.% от этого составляет Cr, а остальное – Fe. FeCr обычно добавляют в предварительно легированной форме, так как это снижает риск окислении и коррозии, обусловленный присутствующим Fe. Cr можно также добавлять в форме Cr₃C₂ или металлического Cr. Если FeCr сдержит менее чем 2 мас.% Cr, существует повышенный риск окисления во время обработки, и спеченная композиция будет иметь более низкую коррозионную стойкость. Однако если FeCr содержит более чем 20 мас.% Cr, концентрация Cr будет слишком высокой, и это приведет к итоговому уменьшению количества включенного B, что снижает защитную эффективность композиции. Наиболее часто используемым составом FeCr при производстве материалов W–B–FeCr является Fe8Cr (что означает, что FeCr содержит 8 мас.% Cr).

Согласно одному варианту осуществления способа, охарактеризованного выше и в дальнейшем, W добавляют в форме W и необязательно WC, например, необязательно <5 мас.% WC.

В рамках диапазонов составов, охарактеризованных выше или в дальнейшем, можно подобрать конкретные составы, чтобы получить наиболее оптимальные свойства композиции для использования в конкретном типе ядерного реактора или конкретной части ядерного реактора. Например, можно подобрать состав с более высоким содержанием W, если основной целью композиции является защита от потока с большой долей гамма–лучей и быстрых нейтронов. С другой стороны, можно подобрать состав с более высоким содержанием бора, если основной задачей композиции является защита от потока, в котором преобладают медленные нейтроны.

Представленные ниже примеры являются лишь иллюстративными и не имеют ограничительного значения.

ПРИМЕРЫ

Как показали эксперименты, наиболее перспективный результат продемонстрировали материалы, в которых в качестве основного компонента используется не WC, а металлический W.

Материалы, использованные в данном примере, были приготовлены с применением стандартных лабораторных методов порошковой металлургии. Во всех примерах FeCr был в форме Fe8Cr (что означает, что FeCr содержал 8 мас.% Cr), а источник бора был в форме B₄C с целевым размером зерна 8 мкм. Порошки отвешивали в количествах, представленных в таблице 1, и измельчали с органическим связующим ПЭГ3400 и средой карбида вольфрама в соотношении порошок/измельчающая среда=9/1 в этиловом спирте и воде в течение 2 часов. Затем порошок сушили, просеивали и прессовали с целевым давлением 100 МПа в прессе TOX или разъемной пресс–форме. Спрессованные образцы спекали при температуре 1450–1520°С в течение 1 часа, используя вакуумный цикл (DMK) под давлением 50 бар. Для некоторых образцов с более высоким содержанием бора применялись более высокие температуры спекания, чтобы улучшить качество кристаллов и механические свойства (подробности приведены в таблице 1 ниже). Поперечные разрезы образцов подвергали мокрому шлифованию, а затем тонкой алмазной полировке с коллоидной двуокисью кремния в качестве окончательной стадии полировки. После этого образцы изучали с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). В представленной ниже таблице 1 приведены сводные данные по изученным образцам, включая массовые проценты порошков в изученных образцах и состав спеченных образцов в атомных процентах, а в таблице 2 приведены свойства каждого примера материала после спекания.

Таблица 1

Образец Вес исходного порошкового материала в мас.% Состав в атомных % (at%) Замечания по спеченному образцу WC Fe8Cr B₄C W W C Fe Cr B A 1 20 3 76 39,66 4,62 31,40 2,73 20,58 Хрупкая структура с расслаиванием, растрескивание при шлифовании. B 1 30 8 61 21,1 9,04 31,03 2,73 36,2 Большие пустоты, хрупкое разрушение, приводящее к точечной коррозии на поверхности. C 1 15 6 78 34,4 9,11 19,92 1,73 34,8 Высокая пористость и наличие пустот. D
(изобретение) 1 23 7 69 26,5 6,01 26,6 2,2 35,4 Меньше пор E
(изобретение) 1 25 9 65 22,1 7,29 25,5 2,2 40,1 Только небольшие пустоты F (изобретение) 1 21,5 5,5 72 30,3 4,89 28,8 2,5 30,8 Только минимальные пустоты

Таблица 2

Образец Плотность (г.см^–3) Плотность относительно теоретической плотности (%) HV30
(кгс мм–2) K1c
(MПa м^0.5) (palmquist) Замечания A 13,20 102,0 780 5,0 Хрупкая структура с расслаиванием, растрескивание при шлифовании B 10,30 105,1 1015 6,5 Большие пустоты, хрупкое разрушение, ведущее к точечной коррозии на поверхности C 11,37 95,3 801 7,3 Высокая пористость и наличие пустот. D (изобретение) 10,81 101 1319 6,3 Меньше пор E (изобретение) 10,37 105,5 1072 6,3 Только небольшие пустоты F (изобретение) 12,62 110,3 1505 8,4 Только минимальные пустоты

Свойства, представленные в таблице 2, измерялись в соответствии с ISO 3369:1975 для плотности и ISO 3878:1983 для твердости. "Плотность относительно теоретической плотности (%)" определяется как измеренная плотность, деленная на теоретическую плотность х100. В настоящем изобретении это аппроксимированная теоретическая плотность, которую измеряют, поскольку в предложенных соединениях на основе боридов существует значительное количество фазового превращения, происходящего в процессе реакционного спекания. Теоретическая плотность определяется как средневзвешенная плотность реагентов до спекания.

Во многих примерах плотность относительно теоретической плотности превышает 100%, что, предположительно, обусловлено потерей углерода в процессе спекания.

Образцы A, B и C демонстрируют сравнительные составы, выходящие за рамки предложенных диапазонов составов и имеющие худшие структуры после спекания. Образцы D, E и F демонстрируют примеры составов, попадающих под объем изобретения и имеющих наиболее оптимизированные спеченные структуры.

На фиг. 1 представлено изображение микроструктуры образца A, полученное методом оптической микроскопии. Образец A содержит слишком много Fe, слишком мало B и слишком мало C. Этот образец хрупкий, также он плохо спекается и легко растрескивается при полировании. Длинные, тонкие элементы (2) в микроструктуре свидетельствуют о плохом удалении связующего.

На фиг. 2 представлено изображение микроструктуры образца B, полученное методом оптической микроскопии. В образце B содержится слишком много Fe и слишком мало W. В микроструктуре присутствуют пустоты (4) и наблюдается значительное хрупкое разрушение.

На фиг. 3 представлено изображение микроструктуры образца C, полученное методом оптической микроскопии. Образец C содержит слишком мало Fe. Этот образец очень пористый, и в микроструктуре присутствуют пустоты (4).

Образцы D, E и F имеют диапазоны составов в рамках настоящего изобретения. Эти образцы имеют в основном более высокую "плотность относительно теоретической плотности", содержат меньше пор и пустот и менее подвержены растрескиванию. На фиг.4 показан пример микроструктуры образца, попадающего под объем настоящего изобретения.

Структура и свойства композиции согласно настоящему изобретению имеют больше сходства с керамическим материалом, чем с цементированным карбидом. Анализ дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) показывает, что в структуре данной композиции преобладают области борида железа и вольфрама, разделенные боридом железа, со следами других фаз, таких как WB и WC, однако отсутствует фаза металлического связующего. Следовательно, в предложенной композиции отсутствуют границы типа "твердая фаза – фаза металлического связующего", где могут возникать "пузырьки".

В таблице 3 показаны результаты по относительному содержанию фаз, обнаруженных при анализе EBSD, который был выполнен на образцах E и F с использованием Zeiss Supra 55VP FEGSEM. Показатель "следы" означает относительное содержание <2%, "значительное" – 2–15%, "избыточное" – >15%, "преобладающее" – >25%. В пределах точности метода EBSD, позволяющего определить относительное количество различных фаз, этот анализ показал отсутствие обнаружимого FeCr, то есть <5 ат.%. Было обнаружено, что присутствующее Fe находится в форме Fe₂B, FeB и B₈Fe₅W₇, то есть >95 ат.% Fe присутствует в форме борида, интерметаллического борида или интерметаллического карбида.

Таблица 3

Фазы Образец E Образец F WC 0,00 0,00 M₆C/W₂C/M₇C₃ 0,00 Следы FeCr 0,00 0,00 WB² Следы Значительное WB₂ 0,00 0,00 W₂B Следы 0,00 Fe₂B Значительное Следы FeB Значительное Преобладающее B₈Fe₅W₇¹ Преобладающее Значительное

Изобретение относится к композиции, используемой для защиты компонентов реактора от ядерного излучения. Порошковая композиция для защиты компонентов реактора от ядерного излучения содержит, ат.%: бор 21–41, железо 25–35, хром 2–4, углерод 3–10, вольфрам остальное. Способ изготовления компонента для защиты ректора от ядерного излучения включает обеспечение порошков, содержащих B, Fe, Cr, C и W, в указанном выше количестве, измельчение порошков с органическим связующим для получения порошковой смеси, прессование и реакционное спекание для получения спеченной композиции. Изобретение направлено на получение тонкого защитного слоя с оптимальными поглощающими свойствами, устойчивого к растрескиванию и не образующего в процессе эксплуации вредных побочных продуктов. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 1 пр.

1. Порошковая композиция для защиты компонентов реактора от ядерного излучения, содержащая следующие элементы, ат.%:

бор 21–41 железо 25–35 хром 2–4 углерод 3–10 вольфрам остальное

2. Композиция по п. 1, в которой по меньшей мере 95 ат.% Fe находится в форме порошка борида, интерметаллического борида или интерметаллического карбида.

3. Композиция по п. 1 или 2, в которой по меньшей мере 95 ат.% Cr находится в форме порошка борида, интерметаллического борида или интерметаллического карбида.

4. Композиция по любому из пп. 1-3, в которой менее 5 ат.% Fe находится в форме порошка FeCr.

5. Способ изготовления компонента для защиты ректора от ядерного излучения, включающий следующие этапы:

а) обеспечение одного или более порошков, содержащих B, Fe, Cr, C и W,

b) измельчение этих порошков с органическим связующим для получения порошковой смеси,

с) спрессовывание измельченной порошковой смеси, и

d) проведение реакционного спекания спрессованной порошковой смеси для получения спеченной композиции,

отличающийся тем, что порошки, которые добавляют на этапе (а), содержат следующие элементы, ат.%:

бор 21–41 железо 25–35

хром 2–4

углерод 3–10 вольфрам остальное

6. Способ по п. 5, в котором бор добавляют в форме порошка B₄C в количестве 4-9 мас.%.

7. Способ по п. 5 или 6, в котором железо и хром добавляют в форме порошка FeCr в количестве 17-26 мас.%.

8. Способ по любому из пп. 5–7, в котором W добавляют в форме W и необязательно WC.

9. Способ по п. 8, в котором количество добавленного WC составляет менее 5 мас.%.

10. Применение порошковой композиции по любому из пп. 1-4 для изготовления компонента, предназначенного для защиты реактора от ядерного излучения.