Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:

М. Г. Исаенкова, профессор, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: isamarg@mail.ru
+Ю. А. Перлович, профессор, докт. физ.-мат. наук
С. Д. Столбов, аспирант
К. Е. Клюкова, аспирант
В. А. Фесенко, научный сотрудник

ООО «Лаборатория вакуумных технологий», Зеленоград, Москва, Россия:
Е. В. Берлин, генеральный конструктор

Проведено сравнение коррозионного поведения двух хромовых покрытий, полученных по разным технологическим режимам методом магнетронного напыления на оболочечные трубы из сплава Э110 опт. В зависимости от особенностей процесса создания покрытий в них сформировалась разная структура, характеризующаяся различными ориентацией и размером зерен. Основные различия исследованных покрытий состояли в следующем: покрытие № 1 имело толщину 9–10 мкм, характеризовалось столбчатыми кристаллами размером 0,2 мкм и строгой ориентацией {111}<112> по всей своей толщине; покрытие № 2 имело толщину 12–14 мкм, размер столбчатых кристаллов — 1 мкм и их ориентации — {111}<112> и {100}<001>. Покрытия также различались уровнем сжимающих тангенциальных макронапряжений на внешней поверхности: в первом из них 1000 МПа, а во втором — всего лишь 490 МПа, что свидетельствовало о возможности присутствия в нем трещин. Наличие трещин подтверждено металлографическими снимками. Окисление оболочечных труб с хромовыми покрытиями проводили путем их отжига на воздухе в температурном интервале 400–1150 ^oC в течение 1 ч. В результате электронно-микроскопического изучения распределения элементов по сечению окисленных образцов установлены основные различия в кинетике окисления покрытий, полученных по разным режимам. В исходном состоянии оба покрытия взаимодействуют с подложкой без образования промежуточных фаз, просто слой хрома заменяется слоем циркониевого сплава. В обоих случаях переходная зона составляет 2–3 мкм. После отжига на воздухе при температуре 1100 ^oC в течение 1 ч между покрытием и подложкой формируется интерметаллидный слой (Zr, Nb)Cr₂ толщиной 2–3 мкм. Интерметаллид идентифицирован благодаря исследованию покрытия на синхротронном излучении. Толщина первого покрытия изменяется до 5–6 мкм, при этом на поверхности не удается обнаружить оксидную фазу. В случае окисления второго покрытия наблюдается 3–4-мкм слой оксидной фазы, легко идентифицируемый рентгеновскими и электронно-микроскопическими методами, что приводит к сокращению толщины хромового покрытия. Интересным также пред ставляется распределение пор: в случае первого покрытия они расположены на границе интерметаллидного и хромового слоев, а в случае второго покрытия поры распределены по сечению хромового слоя и в оксидных слоях. Толщина оксидного слоя со стороны внутренней поверхности оболочечной трубы составляет ~250 мкм. Хромовое покрытие в случае отсутствия в нем трещин надежно защищает от кислорода оболочечную трубу. Наличие пор обусловлено различиями в температурном расширении слоев, состоящих из разных металлов.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственной Программы повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИ (соглашение № 02.а03.21.0005).
Авторы выражают благодарность А. В. Иванову — научному руководителю ПАО «Машиностроительный завод», инициатору и вдохновителю выполненной работы.

1. Koo Y.-H., Yang J.-H., Park J.-Y., Kim K.-S., Kim D.-J. et al. 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. еt al. Development of Surface Modified Zr Cladding by Coating Technology for ATF // Conference Top Fuel 2016. — Boise, 11–15 September 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 // Nuclear Engineering and Technology. 2016. Vol. 48, No. 1. P. 1–15.
4. Shishov V. N., Peregud M. M., Nikulina A. V., Shebaldov P. V., Tselishchev A. V. et al. Influence of Zirconium Alloy Chemical Composition on Microstructure Formation and Irradiation Growth // 13^th International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry. — Annecy, France, 2001. P. 758–779.
5. Петельгузов И. А. Влияние защитных покрытий из алюминия и хрома на окисление циркония и его сплавов // Вопросы атомной науки и техники. 2012. № 2. С. 114–119.

6. Копанец И. Е., Толстолуцкая Г. Д., Никитин А. В., Белоус В. А., Куприн А. С. и др. Влияние покрытий Cr, Cr – N и Cr – Ox на удержание и проникновение дейтерия в сплавы циркония Zr – 1Nb // Вопросы атомной науки и техники. 2015. № 5. С. 81–86.
7. Kuprin A. S., Belous V. А., Voyevodin V. N., Bryk V. V., Vasilenko R. L. et al. Vacuum-arc chromium-based coatings for protection of zirconium alloys from the high-temperature oxidation in air // Journal of Nuclear Materials. 2015. Vol. 465. P. 400–406.
8. Куприн А. С., Белоус В. А., Брык В. В., Василенко Р. Л., Воеводин В. Н. и др. Вакуумно-дуговые хромовые покрытия для защиты сплава Zr – 1Nb от высокотемпературного окисления на воздухе // Вопросы атомной науки и техники. 2015. № 2. С. 111–118.
9. Куприн А. С., Белоус В. А., Воеводин В. Н., Брык В. В., Василенко Р. Л. и др. Высокотемпературное окисление на воздухе оболочек из циркониевых сплавов Э110 и Zr – 1Nb с покрытиями // Вопросы атомной науки и техники. 2014. № 1. С. 126–132.
10. Белоус В. А., Вьюгов П. Н., Куприн А. С., Леонов С. А., Носов Г. И. и др. Механические характеристики твэльных трубок из сплава Zr – 1Nb после осаждения ионно-плазменных покрытий // Вопросы атомной науки и техники. 2013. № 2. С. 140–143.
11. Park J. H., Kim H. G., Park J. Y., Jung Y. I., Park D. J. et al. High temperature steam-oxidation behavior of arc ion plated Cr coatings for accident fuel claddings // Surface and Coating Technology. 2015. Vol. 280. P. 256–259.
12. Kim H. G., Kim I. H., Jung Y. I., Park D. J., Park J. Y., Koo Y. H. et al. Adhesion property and high-temperature oxidation behaviour of Cr-coated Zircaloy-4 cladding tube prepared by 3D laser coating // Journal of Nucear Materials. 2015. Vol. 465. P. 531–539.
13. Bunnell L. R., Mellinger G. B., Bates J. L., Harm C. R. Hightemperature properties of zircaloy-oxygen alloys. — Palo Alto : Electric Power Research Institute, 1977.
14. Bunnell L. R., Bates J. L., Mellinger G. B. Some High-Temperature Properties of Zircaloy-oxygen Alloys // Journal of Nuclear Materials. 1983. Vol. 116, Iss. 2-3. P. 219–232.
15. Fong R. W. L., Fazeli F., Smith T. Thermal Expansion Anisotropy of Zr – 2,5Nb Pressure Tube Material on Heating to 1100 ^oC // 35^th Annual Conference of the Canadian Nuclear Society & 38th CNS/CNA Student Conference 2015. Vol. 1. P. 636–647.
16. Берлин Е. В., Григорьев В. Ю., Иванов А. В., Исаенкова М. Г., Клюкова К. Е. и др. Структура защитного хромового покрытия, полученного методом термического испарения в магнетронном разряде, на оболочечных трубах из сплава Э110 // Цветные металлы. 2019. № 4. С. 33–40.
17. Иванов А. В., Кураев А. Ю., Малахов А. А., Лернер А. Е., Лузан Ю. В. Исследование свойств защитного хромового покрытия образцов-имитаторов твэлов ВВЭР // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. 2018. № 3. С. 116–130.
18. Idarraga-Trujillo I., Le Flem M., Brachet J.-C., Le Saux M., Hamon D. et al. Assessment at CEA of coated nuclear fuel cladding for LWRs with increased margins in loca and beyond loca conditions // Proceedings of TopFuel 2013. — Char lotte, North Carolina, USA, 15–19 September 2013. P. 860–867.
19. Brachet J.-C., Idarraga-Trujillo I., Flem M. L., Saux M. L., Vandenberghe V. et al. Early studies on Cr-Coated Zircaloy-4 as enhanced accident tolerant nuclear fuel claddings for light water reactors // Journal of Nuclear Materials. 2019. Vol. 517. P. 268–285.
20. Пат. 2503079 РФ. Генератор плазмы / Берлин Е. В., Григорьев В. Ю. ; опубл. 27.12.2013, Бюл. № 30.

21. Пат. 2566232 РФ. Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов / Ходаченко Г. В., Степанова Т. В. ; опубл. 20.10.2015, Бюл. № 29.
22. 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. P. 012055.
23. Perlovich Y., Isaenkova M., Bunge H.-J. The Fullest Description of the Structure of Textured Metal Materials with Generalized Pole Figures: the Example of Rolled Zr Alloys // Materials Science Forum. 2001. Vol. 378–381. P. 180–185.
24. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев Л. Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. — М. : МИСиС, 2002. — 366 c.
25. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник. В 3 т. Т. 2. — М. : Машиностроение, 1997. — 1024 с.
26. Lu H.-J., Wu H., Zou N., Lu X.-G., He Y.-L., Morgan D. Firstprinciples investigation on diffusion mechanism of alloying elements in dilute Zr alloys // Acta Materialia. 2018. Vol. 154. P. 161–171.
27. Neumann G., Tuijn C. Self-diffusion and impurity diffusion in pure metals: handbook of experimental data. — Oxford : Elsevier, 2008. — 360 p.