ООО «Лаборатория вакуумных технологий», Зеленоград, Россия:

Е. В. Берлин, генеральный конструктор
В. Ю. Григорьев, зам. директора по научной деятельности

ПАО «Машиностроительный завод», Электросталь, Россия:
А. В. Иванов, научный руководитель

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:
М. Г. Исаенкова, профессор каф. «Физические проблемы материаловедения», эл. почта: isamarg@mail.ru
К. Е. Клюкова, студент
С. Д. Столбов, аспирант

Создание оболочек твэлов с повышенными механическими свойствами, устойчивых в нормальных условиях и при кратковременном перегреве, является актуальной задачей современного развития легководных реакторов на тепловых нейтронах наряду с разработкой более эффективного топливного материала. В данной работе представлены результаты рентгеновского исследования неоднородности структуры и кристаллографической текстуры защитного хромового покрытия, полученного методом термического испарения в магнетронном разряде, и циркониевой подложки (оболочечной трубы из сплава Э110). Установлено, что покрытие толщиной 7–8 мкм состоит из хрома и характеризуется объемно-центрированной кубической (ОЦК) структурой. Переход от покрытия к подложке прои сходит в пределах зоны толщиной 3 мкм, в которой ОЦК-фаза постепенно заменяется ГПУ-фазой (гексагональная плотная упаковка) циркония. В хромовом покрытии обнаружены высокие сжимающие тангенциальные макронапряжения, существенно превышающие предел текучести хрома. Наличие сжимающих напряжений подтверждается также послойным изменением измеренных параметров кристаллической структуры хрома и таких его механических свойств, как микротвердость, модуль упругости и доля пластической деформации. Показано, что покрытие характеризуется высокой послойной однородностью текстуры, которая не связана с ориентацией подложки. Покрытие растет на слоях циркония, имеющих слабо выраженную преимущественную ориентацию зерен. Размытие кристаллографической текстуры оболочечной трубы связано с воздействием высокоэнергетичных ионных пучков на циркониевую подложку в процессе ионного травления поверхности оболочечной трубы, осуществляемого перед нанесением хромового покрытия. Рассеяние текстуры подложки подтверждает ориентационную независимость роста покрытия, в котором перпендикулярно цилиндрической поверхности трубы располагается направление с индексами, близкими к наиболее плотно упакованному в ОЦК-структуре направлению <111>. Острая кристаллографическая текстура хромового покрытия обусловливает существенную анизотропию упругих модулей вдоль осевого и тангенциального направлений, определяемых по кривым непрерывного индентирования. Вдоль указанных направлений преимущественно располагаются кристаллографические направления <114> – <111> и <110> соответственно.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственной Программы повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИ (соглашение № 02.а03.21.0005).

1. Koo Y.-H., Yang J.-H., Park J.-Y., Kim K.-S., Kim H.-G., Kim D.-J., Jung Y.-I., Song K.-W. KAERI’s Development of LWR Accident-Tolerant Fuel // Journal of Nuclear Technology. 2014. Vol. 186, Iss. 2. P. 295–304.
2. Kim H.-G., Kim I.-H., Jung Y.-I., Park D.-J., Yang J.-H., Koo Y.-H. Development of Surface Modified Zr Cladding by Coating Technology for ATF // Conference Top Fuel 2016. Boise, ID, September 11–15. 2016. P. 1157–1163.
3. Kim H. G., Yang J. H., Kim W. J., Koo Y. H. Development status of accident-tolerant fuel for light water reactors in Korea // Nucl. Eng. Technol. 2016. Vol. 48. P. 1–15.
4. Kuprin A. S., Belous V. А., Voyevodin V. N., Bryk V. V., Vasilenko R. L., Ovcharenko V. D., Reshetnyak E. N., Tolmachova G. N., V’yugov P. N. Vacuum-arc chromium-based coatings for protection of zirconium alloys from the high-temperature oxidation in air // J. Nucl. Mater. 2015. Vol. 465. P. 400–406.
5. Kuprin A. S., Belous V. A., Voyevodin V. N., Bryk V. V., Vasilenko R. L., Ovcharenko V. D., Tolmachova G. N., V’ygov P. N. High-temperature air oxidation of E110 and Zr – 1Nb alloys claddings with coatings // Problems of Atomic Science and Technology. 2014. Vol. 89, No. 1. P. 126–132.
6. Belous V. A., V'ygov P. N., Kuprin A. S., Leonov S. A., Nosov G. I., Ovcharenko V. D., Ozhigov L. S., Rudenko A. G., Savchenko V. T., Tolmachеva G. N., Khoroshikh V. M. Mechanical characteristics of Zr1Nb alloy tube after deposition of ion-plasma coatings // Problems of Atomic Science and Technology. 2013. Vol. 84, No. 2. P. 140–143.
7. Park J. H., Kim H. G., Park J. Y., Jung Y. I., Park D. J., Koo Y. H. High temperature steam-oxidation behavior of arc i on plated Cr coatings for accident fuel claddings // Surf. Coat. Technol. 2015. Vol. 280. P. 256–259.
8. Carpenter J. S., Nizolek T., McCabe R. J., Knezevic M., Zheng S. J., Eftink B. P., Scott J. E., Vogel S. C., Pollock T. M., Mara N. A., Beyerlein I. J. Bulk texture evolution of nanolamellar Zr – Nb composites processed via accumulative roll bonding // Acta Materialia. 2015. Vol. 92. P. 97–108.
9. Weijun He, Jiateng Ma, Yanxin Zhang, Hanying Wen, Qing Liu. Effect of the Annealing Process on the Microstructure and Mechanical Properties of Multilayered Zr/Ti Composites // Materials Science & Engineering: A. 2017. Vol. 713. DOI: 10.1016/j.msea.2017.12.072
10. Иванов А. В., Кураев А. Ю., Малахов А. А. Лернер А. Е., Лузан Ю. В. Исследование свойств защитного хромового покрытия образцов-имитаторов тв элов ВВЭР // Вопросы атомной науки и техники. Cер. Материаловедение и новые материалы. 2018. Вып. 3 (94). С. 116–130.
11. Пат. 2503079 РФ. Генератор плазмы / Берлин Е. В., Григорьев В. Ю. ; опубл. 27.12.2013.
12. Пат. 2612113 РФ. Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов / Берлин Е. В., Степанова Т. В. ; опубл. 25.08.2017.
13. Исаенкова М. Г., Перлович Ю. А. Закономерности развития кристаллографической текстуры и субструктурной неоднородности в циркониевых сплавах при деформации и термообработке. — М. : НИЯУ МИФИ, 2014. — 528 с.
14. Perlovich Y., Isaenkova M., Fesenko V. Modern methods of experimental construction of texture complete direct pole figures by using X-ray data // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 130.
15. Блохин М. А., Швейцер И. Г. Рентгеноспектральный справочник. — М. : ФМЛ, 1982. — 376 с.
16. Khramtsova T. P., Skrytnyy V. I., Yaltsev V. N. Mutual disorientation texture in α-Zr polycrystals // Non-ferrous Мetals. 2015. No. 1. P. 42–44. DOI: 10.17580/nfm.2015.01.09
17. Головин Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. — М. : Машиностроение, 2009. — 312 с.
18. Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus bу instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology // J. Mater. Res. 2004. Vol. 19 (1). P. 3–20.
19. Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванов А. Н., Расторгуев Л. Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М. : Металлургия, 1982. — 632 с.
20. Перлович Ю. А., Исаенкова М. Г., Грехов М. М., Фесенко В. В., Калин Б. А., Якушин В. Л. Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2004. № 3 (85). С. 59–65.
21. Якушин В. Л. Модифицирование и повреждение материалов потоками высокотемпературной импульсной плазмы : дис. … докт. физ.-мат. наук. — М. : НИЯУ МИФИ, 2006. — 357 с.