Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия

Е. С. Ермилова, инженер, эл. почта: ermilova275@gmail.com
И. Р. Овсянкин, инженер, эл. почта: iovsyankin72@gmail.com
В. Н. Петровский, доцент, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: vnpetrovskij@mephi.ru
П. С. Джумаев, доцент, канд. техн.наук, эл. почта: PSDzhumaev@mephi.ru

Представлены результаты исследований особенностей нанесения покрытий порошком сплава никеля 1350-00 и хрома ПХ-1 методом высокоскоростной лазерной наплавки на тонкостенные трубки из циркониевого сплава Э110. Наплавку выполняли с помощью непрерывного излучения иттербиевого волоконного лазера мощностью до 10 кВт на роботизированном комплексе. Исследования проводили при конфигурации экспериментального модуля с возможностями реализации технологии высокоскоростной лазерной наплавки: исследуемые образцы размещали в специально созданном высокоскоростном вращателе. Определено влияние мощности лазерного излучения и количество подаваемого порошка на структуру получаемых покрытий. Проведены металлографические исследования полученных образцов. Показано, что при выполнении лазерной наплавки на оптимальных режимах формируется практически беспористое покрытие с минимальным про плавлением материала основы, обеспечивающим метал лургическое сплавление. По данным рентгено спектрального микро анализа химический состав наплавленного покрытия прак тически не отличается от химического состава используемого порошка. Толщина наплавленного слоя в зависимости от режимов наплавки регулируется в пределах 100–300 мкм за один проход. Линия сплавления одинакова по строению, что показывает высокую однородность тепловложения при наплавке. Размер зоны термического влияния в материале подложки в зависимости от режимов наплавки изменяется в пределах 50–200 мкм. Полученные результаты имеют перспективу применения в атомной промышленности, так как выбор оптимальных режимов и разработка методических рекомендаций по нанесению адгезионно-прочных и коррозионностойких покрытий на циркониевые элементы активной зоны различного типа реакторов важны для повышения надеж ности их работы и увеличения эксплуатационного ресурса реакторов.

Работа выполнена при поддержке программы НИЯУ МИФИ «Приоритет-2030».
В работе принимали участие А. А. Гавриков (аспирант) и В. И. Польский (доцент, канд. физ.-мат. наук).

1. 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.
2. Tang C., Stueber M., Seifert H. J., Steinbrueck M. Protective coatings on zirconium-based alloys as accident-tolerant fuel (ATF) claddings // Corrosion. 2017. Vol. 35. P. 141–165.
3. Якушкин А. А., Высикайло Ф. И. Проблемы разрушения поверхности оболочек тепловыделяющих элементов ядерных энергетических установок // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2018. № 4. С. 92–110.
4. Maier B., Yeom H., Johnson G., Dabney T. et al. Development of cold spray coatings for accident-tolerant fuel cladding in light water reactors // JOM. 2018. Vol. 70. P. 198–202.
5. Terrani K. A. Accident tolerant fuel cladding development: Promise, status, and challenges // J. Nucl. Mater. 2018. Vol. 501. P. 13–30.
6. Yeom H., Dabney T., Johnson G., Maier B. et al. Improving deposition efficiency in cold spraying chromium coatings by powder annealing // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2018. Vol. 100. P. 1373–1382.
7. Kuprin A. S., Belous V. A., Voyevodin V. N., Vasilenko R. L. et al. Irradiation resistance of vacuum arc chromium coatings for zirconium alloy fuel claddings // J. Nucl. Mater. 2018. Vol. 510. P. 163–167.
8. Sidelev D. V., Ruchkin S. E., Shelepov I. A., Saburov N. S. et al. Protective Cr coatings with ZrO₂/Cr multilayers for zirconium fuel claddings // Coatings. 2022. Vol. 12. P. 1409–1426.
9. Syrtanov M., Kashkarov E., Abdulmenova A., Gusev K. et al. High-temperature steam oxidation of accident-tolerant Cr/Mocoated Zr alloy at 1200–1400 ^oC // Coatings. 2023. Vol. 13. P. 191–206.
10. Kim H. G., Kim I. H., Jung Y. I., Park D. J. et al. Adhesion property and high-temperature oxidation behavior of Cr-coated Zircaloy-4 cladding tube prepared by 3D laser coating // Journal of Nuclear Materials. 2015. Vol. 465. P. 531–539.
11. Kim H. G., Kim I. H., Jung Y. I., Park D. J. et al. Progress of surface modified Zr cladding development for ATF at KAERI // Water Reactor Fuel Performance Meeting. September 10–14, 2017. Jeju Island, Korea.
12. Schopphoven T., Gasser A., Backes G. EHLA: Extreme highspeed laser material deposition economical and effective protection against corrosion and wear // Laser Technik Journal. 2017. Vol. 4. Р. 26–29.
13. Schopphoven T., Pirch N., Mann S. Statistical/numerical model of the powder-gas jet for extreme high-speed laser material deposition // Coatings. 2020. Vol. 10. P. 416–433.
14. Zhou L., Guozheng M., Zhao H., Mou H. et al. Research status and prospect of extreme high-speed laser cladding technology // Optics & Laser Technology. 2024. Vol. 168. P. 109800–109820.
15. Khamidullin B. A., Tsivilskiy I. V., Gorunov A. I., Gilmutdinov A. Kh. Modeling of the effect of powder parameters on laser cladding using coaxial nozzle // Surf. Coat. Tech. 2019. Vol. 304. P. 430–443.
16. Doubenskaia M., Kulish A., Sova A., Petrovskiy P. et al. Experimental and numerical study of gas-powder flux in coaxial laser cladding nozzles of Precitec // Surface & Coatings Technology. 2021. Vol. 406. P. 126672–126683.