Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия:

А. А. Хлыбов, зав. кафедрой материаловедения, технологии материалов и термической обработки металлов, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: hlybov_52@mail.ru
Д. А. Рябов, аспирант, младший научный сотрудник кафедры материаловедения, технологии материалов и термической обработки металлов, эл. почта: ryabovdm1996@gmail.com

АО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород, Россия:
C. Н. Пичков, начальник отдела системных разработок по надежности и безопасности ядерных установок²
Д. Н. Шишулин, начальник подразделения № 130², эл. почта: shishulin@okbm.nnov.ru

Проведен анализ влияния водородного охрупчивания на работоспособность изделий из титанового сплава ПТ-7М. Приведенные примеры показывают, что при повышенном содержании водорода они склонны к растрескиванию, вероятность их разрушения возрастает. В исходном состоянии образцы подвергали отжигу в вакууме при 680 ^оС. Наводороживание образцов осуществляли диффузионным способом при комнатной температуре до концентраций 0,002; 0,005 и 0,01 % (мас.) в лабораторной установке Сивертса. Содержание водорода в образцах определяли на высокочувствительном газоанализаторе G8 Galileo. Для оценки влияния водородного охрупчивания на пластические свойства и склонность к трещинообразованию образцы испытывали на сплющивание. Анализ структурного состояния сплава показал, что с увеличением концентрации водорода наблюдается выделение гидридных фаз. Исследовано влияние структурных изменений в сплаве на микротвердость. Проведенный рентгеноструктурный анализ также показал наличие гидридных выделений в сплаве ПТ-7М. C использованием инженерного комплекса CAE ANSYS было проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния образцов при испытании на сплющивание. Результаты моделирования показали, что максимально возникающие напряжения при сплющивании превышают предел прочности. Одной из причин выделения гидридных фаз являются высокие напряжения, что также подтверждается результатами испытаний на сплющивание и металлографического анализа: в локальных зонах с повышенным уровнем напряжений в структуре материала наблюдается более высокая концентрация гидридной фазы TiH_x. Испытания на сплющивание также показали, что причиной образования трещин является наличие хрупких гидридов в структуре материала: трещины образуются путем разрушения гидридных фаз. В исходном состоянии и при малом содержании водорода (до 0,002 % (мас.)) в образцах трещины не обнаружены.

Исследование выполнено по гранту РНФ №19-19-00332 «Разработка научно обоснованных подходов и аппаратно-программных средств мониторинга поврежденности конструкционных материалов на основе подходов искусственного интеллекта для обеспечения безопасной эксплуатации технических объектов в арктических условиях».

1. Ночовная Н. А. Перспективы и проблемы применения титановых сплавов // Авиационные материалы и технологии: науч.-техн. сб. Вып. «Перспективы развития и применения титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов». — М. : ВИАМ, 2007. С. 4–8.
2. Ушков С. С., Кожевников О. А. Опыт применения и значение титановых сплавов для развития атомной энергетики России // Вопросы материаловедения. 2009. Т. 59, № 3. С. 172–187.
3. Хлыбов А. А., Рябов Д. А., Пичков С. Н., Шишулин Д. Н., Захаров Д. А. Разработка акустического метода оценки влияния степени наводороживания на поврежденность конструкций из титановых сплавов // Дефектоскопия. 2019. № 4. C. 8–14. DOI: 10.1134/S013030821904002X.
4. Дарбинян О. Э., Филимошкин С. В., Фадеев Ю П. и др. Продление срока эксплуатации реакторных установок атомных ледоколов. Обеспечение безопасности в продлеваемый период // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1. С. 88–95.
5. Карзов Г. П., Тимофеев Б. Т., Чернаенко Т. А. Старение материалов оборудования АЭС при эксплуатации в течении проектного срока службы // Вопросы материаловедения. 2005. T. 42, № 2. C. 92–110.
6. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства : cправочник. — М. : ВИЛС – МАТИ, 2009. — 520 с.

7. López-Suárez A. Effect of absorption and desorption of hydrogen in Ti and Ti alloys // New Advances in Hydrogenation Processes - Fundamentals and Applications. 2017. P. 209–225. DOI: 10.5772/64921.
8. Silverstein R., Eliezer D., Tal-Gutelmacher E. Hydrogen trapping in alloys studied by thermal desorption spectrometry // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 747. P. 511–522. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.03.066.
9. Qi-gang Weng, Rui-Di Li, Tie-Chui Yuan, Yu-Sheng Shi, Zi-Li Qiu., et al. Hydrogenation reaction of metallic titanium prepared by molten salt electrolysis // Transaction of Nonferrous Metals Society of China. 2016. Vol. 26. P. 1425–1432. DOI: 10.1016/S1003-6326(16)64219-X.
10. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. — М. : Металлургия, 1985. — 216 с.
11. Ливанов В. А., Буханова А. А., Колачев Б. А. Водород в титане. — M. : Металлургия, 1962. — 246 с.
12. Мюллер В. Гидриды металлов. — М. : Атомиздат, 1973. — 281 c.
13. Трунов Н. Б., Денисов В. В., Бергункер В. Д. и др. Обеспечение безопасности, надежности и ресурса работы трубчатки ПГ АЭС С ВВЭР // Третья Международная конференция по безопасности АЭС с ВВЭР. — Подольск, 2003. T. 2. C. 195–222.
14. Дерий В. П., Семенов В. К., Щебнев В. С. К вопросу прогнозирования надежности и ресурса трубчатки АЭС с ВВЭР // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2007. № 2. С. 58–63.
15. Бахметьев А. М., Cандлер Н. Г., Былов И. А., Бакланов А. В. и др. Анализ возможных причин и механизмов отказов трубных систем парогенераторов атомных судов // Арктика: экология и экономика. 2013. Т. 11, № 3. C. 97–101.
16. Кожевников О. А., Михайлов В. И., Межонов В. А., Ушков С. С. Перспективы применения малоактивируемых титановых сплавов в сварных конструкциях атомных энергетических установок // Вопросы материаловедения. 2007. Т. 51, № 3. С. 50–60.
17. ГОСТ 22897–86. Трубы бесшовные холоднодеформированные из сплавов на основе титана. Технические условия. — Введ. 1988-01-01. — М. : ИПК «Издательство стандартов», 1997.
18 Stepanova E. N., Kudiyarov V. N., Sypchenko V. S., Lider A. M., et al. Research of hydrogenation and dehydrogenation effect on the structural and phase state of the titanium alloy // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 683. P. 187–192. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.683.187.
19. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Шамраева М. А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. — M. : Либроком, 2015. — 270 с.
20. Чернов И. П., Лидер А. М., Черданцев Ю. П. и др. Дефекты в титане, инициированные водородом // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 6, № 3. C. 97–103.
21. Мороз Л. С., Чечулин Б. Б. Водородная хрупкость металлов. — М. : Металлургия, 1967. — 255 с.
22. Еременко В. Н. Титан и его сплавы. — Киев : Издательство АН Украинской ССР, 1960. — 499 с.
23. Корнилов И. И. Титан. Источники, составы, свойства, металлохимия и применение. — М. : Наука, 1975. — 310 с.